JP2011066961A - Power generation apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a generator which converts vibrating energy into electrical energy, especially, a compact and large output vibration drive type of capacitive generator which is manufactured using a MEMS technique. <P>SOLUTION: The generator has a dielectric G1, a movable part G4 which faces the dielectric with a specified distance from the dielectric G1, an electret G6 and a counter electrode G5, which generate a fringe fields to pierce the dielectric G1 between two electrodes, while being formed under the movable part G4. The generator outputs a charge introduced into the counter electrode G5 as a current, when the volume share of the dielectric G1 between the electret G6 and the counter electrode G5 changes according to the horizontal displacement of the movable member G4. The generator has a metal layer G2, which is formed on the surface of the dielectric G1 to prevent the fringe field from penetrating the dielectric G1 and a fluororesin layer G3, which is formed to cover the dielectric G1 and the metal layer G2 and have flat surfaces with respect to the movable member G4. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、運動エネルギー(振動エネルギー)を電気エネルギーに変換する発電装置、特に、MEMS[Micro Electromechanical System]技術を用いて製造される振動駆動型の容量性発電装置に関するものである。   The present invention relates to a power generation device that converts kinetic energy (vibration energy) into electrical energy, and more particularly to a vibration-driven capacitive power generation device that is manufactured using MEMS [Micro Electromechanical System] technology.

図54は、MEMS技術を用いて製造される振動型発電装置の一従来例を示す模式図である。本従来例の振動型発電装置は、バルクMEMS技術を用いて上側ユニットU1と下側ユニットU2とを個別に作成し、これらを互いに貼り合わせた構造とされていた。   FIG. 54 is a schematic diagram showing a conventional example of a vibration power generation apparatus manufactured using the MEMS technology. The vibration type power generation device of this conventional example has a structure in which the upper unit U1 and the lower unit U2 are individually created using bulk MEMS technology and are bonded to each other.

なお、図54中において、符号100はパリレン[登録商標]、符号101はシリコン基板、符号102はシリカ層、符号103はエレクトレット、符号104は対向電極、符号105はベース電極、符号106はパイレックス(登録商標)、及び、符号107はスペーサを各々示している。   54, reference numeral 100 is Parylene [registered trademark], reference numeral 101 is a silicon substrate, reference numeral 102 is a silica layer, reference numeral 103 is an electret, reference numeral 104 is a counter electrode, reference numeral 105 is a base electrode, reference numeral 106 is Pyrex ( (Registered trademark) and reference numeral 107 denote spacers.

上記構成から成る振動型発電装置の動作原理は、エレクトレット103と対向電極104との重なり面積を2軸平面方向(X方向、Y方向)の振動によって変化させ、対向電極104に誘導される電荷の変化分を電流として引き出すというものであった。   The principle of operation of the vibration type power generation device having the above configuration is that the overlapping area between the electret 103 and the counter electrode 104 is changed by vibration in the biaxial plane direction (X direction, Y direction), and the charge induced to the counter electrode 104 is changed. The change was drawn out as current.

なお、MEMS技術を用いて製造される振動型発電装置の関連技術としては、例えば、特許文献1を挙げることができる。   In addition, as a related technique of the vibration power generation apparatus manufactured using the MEMS technique, for example, Patent Document 1 can be cited.

特開2009−77614号公報JP 2009-77614 A

しかしながら、上記従来の振動型発電装置では、その発電電力が10μW程度であり、その用途が限定されていた。   However, in the conventional vibration type power generation device, the generated power is about 10 μW, and its application is limited.

また、上記従来の振動型発電装置は、エレクトレット103と対向電極104が互いに対面している構造であるため、上側ユニットU1と下側ユニットU2とのギャップ距離を小さく設計し過ぎると、エレクトレット103と対向電極104との間に静電引力が働いて両者が接触したり、或いは、エレクトレット103の注入電荷が放電されてしまうおそれがあった。そのため、上側ユニットU1と下側ユニットU2とのギャップ距離は、ある程度大きく設計しなければならないが、ギャップ距離を広げた上で、なおかつ、振動による容量変化を大きくするためには、エレクトレット103と対向電極104の面積を大きく設計する必要があり、その結果として、さらなるギャップ距離の増大が必要となる。このような悪循環から、上記従来の振動型発電装置では、例えば、ギャップ距離が70μm程度、エレクトレット103の横サイズが150μm程度に設計されており、装置の小型化に関しては、さらなる改良の余地があった。   In addition, since the above-described conventional vibration power generator has a structure in which the electret 103 and the counter electrode 104 face each other, if the gap distance between the upper unit U1 and the lower unit U2 is designed too small, the electret 103 There is a possibility that electrostatic attraction acts between the counter electrode 104 and the both electrodes come into contact with each other, or the injected charge of the electret 103 is discharged. For this reason, the gap distance between the upper unit U1 and the lower unit U2 must be designed to be large to some extent. However, in order to increase the capacity change due to vibrations after increasing the gap distance, it is opposed to the electret 103. It is necessary to design the area of the electrode 104 to be large, and as a result, it is necessary to further increase the gap distance. Due to such a vicious circle, the conventional vibration power generation apparatus is designed with, for example, a gap distance of about 70 μm and a lateral size of the electret 103 of about 150 μm, and there is room for further improvement in terms of downsizing the apparatus. It was.

また、上記従来の振動型発電装置では、上側ユニットU1と下側ユニットU2とを貼り合わせる前に、コロナ放電(大気放電)を利用して、エレクトレット103への電荷注入(帯電)が非接触で行われていた。しかしながら、このような電荷注入プロセスを実施するためには、大規模なコロナ放電設備が必要となるため、製造コスト面で不利であった。   Further, in the above-described conventional vibration type power generation device, before the upper unit U1 and the lower unit U2 are bonded together, charge injection (charging) to the electret 103 is performed without contact using corona discharge (atmospheric discharge). It was done. However, in order to perform such a charge injection process, a large-scale corona discharge facility is required, which is disadvantageous in terms of manufacturing cost.

本発明は、上記の問題点に鑑み、小型大出力の発電装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a small-sized and large-output power generator.

上記目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、誘電体と;前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;前記可動部の前記誘電体側に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;を有して成り、前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、前記誘電体の可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるためのメタル層と;前記誘電体と前記メタル層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜(例えば、静摩擦係数が0.5以下、比誘電率が4.0以下)と;を有して成る構成(第1の構成)とされている。   In order to achieve the above object, a power generation device according to the present invention includes a dielectric, a movable part facing a predetermined distance from the dielectric, and formed on the dielectric side of the movable part. An electret that generates a fringe electric field so as to pass through the dielectric, and a counter electrode, and the volume occupancy ratio of the dielectric occupying between the electret and the counter electrode is horizontal to the movable body. A power generation device that outputs the electric charge introduced into the counter electrode as a current to the outside of the device when changed according to a displacement in a direction, formed on the movable part side surface of the dielectric, and the fringe electric field is A metal layer for preventing entry into the dielectric; and a fluororesin or a polyimide resin formed so as to cover the dielectric and the metal layer and having a horizontal surface with respect to the movable body Volatility good low dielectric insulating film (e.g., static friction coefficient of 0.5 or less and a specific dielectric constant of 4.0 or less); there is a comprising a structure (first structure).

なお、上記第1の構成から成る発電装置において、前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に突起して形成されている構成(第2の構成)にするとよい。   Note that in the power generation device having the first configuration, the metal layer may have a configuration (second configuration) in which the metal layer is formed to protrude on the movable portion side surface of the dielectric.

また、上記第1の構成から成る発電装置において、前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に埋没して形成されている構成(第3の構成)にするとよい。   In the power generation device having the first configuration, the metal layer may be configured to be buried and formed on a surface of the dielectric on the movable part side (third configuration).

また、上記目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、誘電体と;前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;前記可動部の誘電体側表面に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;を有して成り、前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、前記誘電体は、その可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるための溝部を有して成る構成(第4の構成)とされている。   In order to achieve the above object, the power generation device according to the present invention includes a dielectric, a movable part facing the dielectric at a predetermined distance, and a dielectric-side surface of the movable part. An electret that generates a fringe electric field so as to penetrate the dielectric between the two electrodes, and a counter electrode; and a volume occupancy ratio of the dielectric that occupies between the electret and the counter electrode is the movable body When the electric power is changed according to the horizontal displacement of the power generation device, the electric charge introduced into the counter electrode is output as an electric current to the outside of the device, and the dielectric is formed on the surface of the movable part, A configuration (fourth configuration) is provided that includes a groove for preventing the fringe electric field from entering the dielectric.

なお、上記第4の構成から成る発電装置は、前記溝部の内部に積層され、前記誘電体の可動部側表面を平坦化するシリカ等の低誘電率層(比誘電率が100以下)を有して成る構成(第5の構成)にするとよい。   Note that the power generation device having the fourth configuration includes a low dielectric constant layer (relative dielectric constant of 100 or less) such as silica, which is laminated inside the groove and flattens the movable portion side surface of the dielectric. (5th configuration).

また、上記第5の構成から成る発電装置は、前記誘電体と前記シリカ等の低誘電率層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜を有して成る構成(第6の構成)にするとよい。   Further, the power generation device having the fifth structure is formed so as to cover the dielectric and a low dielectric constant layer such as silica, and has a horizontal surface with respect to the movable body, such as a fluorine resin or a polyimide resin. It is preferable to adopt a configuration (sixth configuration) having a low dielectric insulating film with good slidability.

また、上記第1〜第6いずれかの構成から成る発電装置は、前記可動部の支持部材として、厚み方向の長さが幅方向の長さよりも大きい梁部を有して成る構成(第7の構成)にするとよい。   Further, the power generation device having any one of the first to sixth configurations includes a beam portion having a length in the thickness direction larger than the length in the width direction as a support member of the movable portion (seventh). (Configuration).

また、上記第1〜第7いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットと前記対向電極は、複数の櫛歯部を有する櫛歯状にそれぞれ形成されており、平面的に見て、互いの櫛歯部が所定の間隔を隔てて交互に配列されている構成(第8の構成)にするとよい。   Further, in the power generation device having any one of the first to seventh configurations, the electret and the counter electrode are each formed in a comb-teeth shape having a plurality of comb-teeth portions, and are viewed from above in a plan view. It is preferable to adopt a configuration (eighth configuration) in which the comb teeth portions are alternately arranged at a predetermined interval.

また、上記第1〜第8いずれかの構成から成る発電装置は、前記エレクトレットに対して所定量の電荷を接触式放電によって注入するためのエレクトレット端子(エレクトレット材が露出した端子)を有して成る構成(第9の構成)にするとよい。   Further, the power generation device having any one of the first to eighth configurations includes an electret terminal (terminal from which the electret material is exposed) for injecting a predetermined amount of electric charge to the electret by contact discharge. (9th configuration).

また、上記第1〜第9いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、1,000以上の比誘電率を有する構成(第10の構成)にするとよい。   Further, in the power generation device having any one of the first to ninth configurations, the dielectric may have a configuration (tenth configuration) having a relative dielectric constant of 1,000 or more.

また、上記第1〜第10いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域は低真空状態(高真空や超真空ではない状態)とされている構成(第11の構成)にするとよい。   Further, in the power generation device having any one of the first to tenth configurations, the gap region between the dielectric and the movable body is in a low vacuum state (a state that is not high vacuum or ultra vacuum) (first vacuum). 11 configuration).

また、上記第1〜第10いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域には、所定の気体が充填されている構成(第12の構成)にするとよい。   Further, in the power generation device having any one of the first to tenth configurations, a configuration (a twelfth configuration) may be adopted in which a gap region between the dielectric and the movable body is filled with a predetermined gas. .

また、上記第12の構成から成る発電装置において、前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスのいずれ一である構成(第13の構成)にするとよい。   In the power generation device having the twelfth configuration, the predetermined gas may be any one of air, an inert gas, and a gas having a discharge preventing effect (a thirteenth configuration).

また、上記第13の構成から成る発電装置において、前記放電防止効果を有するガスの主成分はSF6である構成(第14の構成)にするとよい。 In the power generation device having the thirteenth configuration, the main component of the gas having the discharge preventing effect may be SF 6 (fourteenth configuration).

また、上記第14の構成から成る発電装置は、表面マイクロマシニング技術を用いて製造される構成(第15の構成)にするとよい。   The power generation device having the fourteenth configuration may be configured to be manufactured using a surface micromachining technique (fifteenth configuration).

本発明によれば、小型大出力の発電装置を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a small-sized and large-output power generator.

強誘電体のPZT板を用いた電極対面型の発電装置の電気的モデル図Electrical model diagram of electrode-to-face power generator using ferroelectric PZT plate エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図(櫛歯形加工なし)Schematic diagram for explaining the effect of splitting the electret into comb teeth (without comb teeth) エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図(櫛歯形加工あり)Schematic diagram for explaining the effect of dividing the electret into comb teeth (with comb teeth) 発電原理を説明するための模式図(可動体の初期位置)Schematic diagram for explaining the principle of power generation (initial position of movable body) 発電原理を説明するための模式図(可動体の水平移動後)Schematic diagram for explaining power generation principle (after horizontal movement of movable body) 発電原理を説明するための模式図(可動体の垂直移動後)Schematic diagram for explaining power generation principle (after vertical movement of movable body) シミュレーションモデル図Simulation model diagram X方向(水平方向)の変位に対する容量変化を示す図The figure which shows the capacity | capacitance change with respect to the displacement of a X direction (horizontal direction). Z方向(垂直方向)の変位に対する容量変化を示す図The figure which shows the capacity | capacitance change with respect to the displacement of a Z direction (vertical direction). XYZ方向全てに対応した発電装置を概念的に示す模式図Schematic diagram conceptually showing the power generator corresponding to all XYZ directions 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第1の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating apparatus (1st state) 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第2の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating apparatus (2nd state) 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第3の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating device (3rd state) 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第4の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating apparatus (4th state) 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第5の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating apparatus (5th state) 発電装置の製造プロセスを示す断面図(第6の状態)Sectional drawing which shows the manufacturing process of an electric power generating apparatus (6th state) 静電放電シミュレータの等価回路図Equivalent circuit diagram of electrostatic discharge simulator CYTOPフィルムの放電条件を模式的に示す図(大気放電モデル)Schematic diagram of CYTOP film discharge conditions (atmospheric discharge model) CYTOPフィルムの放電条件を模式的に示す図(接触放電モデル)Schematic diagram of discharge conditions for CYTOP film (contact discharge model) 本発明の第1実施形態による発電装置の構造を示した斜視図The perspective view which showed the structure of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 図11のα1−α1線に沿った断面図Sectional view along line α1-α1 in FIG. 本発明の第1実施形態による発電装置の平面図The top view of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の強誘電体層の構造を示した斜視図The perspective view which showed the structure of the ferroelectric layer of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置のプルーフマスを裏面側から見た平面図The top view which looked at the proof mass of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention from the back surface side 図13のβ1−β1線に沿った断面図Sectional view along line β1-β1 in FIG. 本発明の第1実施形態による発電装置の一部を示した斜視図The perspective view which showed a part of electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の動作を説明するための概略断面図Schematic sectional view for explaining the operation of the power generator according to the first embodiment of the present invention. 強誘電体層の厚みとカバー率との関係を示したグラフGraph showing the relationship between the thickness of the ferroelectric layer and the coverage 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための平面図The top view for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の構造を示した斜視図The perspective view which showed the structure of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 図29のα2−α2線に沿った断面図Sectional view along the line α2-α2 in FIG. 本発明の第2実施形態による発電装置の平面図The top view of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の強誘電体層の構造を示した斜視図The perspective view which showed the structure of the ferroelectric layer of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置のプルーフマスを裏面側から見た平面図The top view which looked at the proof mass of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention from the back surface side 本発明の第2実施形態による発電装置における梁部の構造を拡大して示した斜視図The perspective view which expanded and showed the structure of the beam part in the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 図31のβ2−β2線に沿った断面図Sectional view taken along line β2-β2 in FIG. 本発明の第2実施形態による発電装置の動作を説明するための斜視図The perspective view for demonstrating operation | movement of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 強誘電体層の厚みとカバー率との関係を示したグラフGraph showing the relationship between the thickness of the ferroelectric layer and the coverage 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための平面図The top view for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the electric power generating apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1変形例による発電装置のプルーフマスおよび梁部の構造を示した斜視図The perspective view which showed the structure of the proof mass and beam part of the electric power generating apparatus by the 1st modification of this invention 本発明の第2変形例による発電装置の構造を示した平面図The top view which showed the structure of the electric power generating apparatus by the 2nd modification of this invention 本発明の第3変形例による発電装置(メタル層突起型)の構造を示した断面図Sectional drawing which showed the structure of the electric power generating apparatus (metal layer protrusion type) by the 3rd modification of this invention 本発明の第3変形例による発電装置(メタル層埋没型)の構造を示した断面図Sectional drawing which showed the structure of the electric power generating apparatus (metal layer buried type) by the 3rd modification of this invention 本発明の第4変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図(可動体の初期位置)The schematic diagram for demonstrating the electric power generation principle of the electric power generating apparatus by the 4th modification of this invention (initial position of a movable body). 本発明の第4変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図(可動体の水平移動後)Schematic for demonstrating the power generation principle of the power generator by the 4th modification of this invention (after horizontal movement of a movable body) 本発明の第4変形例による発電装置の第1構造例(トレンチ型)を示した断面図Sectional drawing which showed the 1st structural example (trench type) of the electric power generating apparatus by the 4th modification of this invention. 本発明の第4変形例による発電装置の第2構造例(シリカ積層型)を示した断面図Sectional drawing which showed the 2nd structural example (silica laminated type) of the electric power generating apparatus by the 4th modification of this invention. 本発明の第4変形例による発電装置の第3構造例(保護層形成型)を示した断面図Sectional drawing which showed the 3rd structural example (protective layer formation type) of the electric power generating apparatus by the 4th modification of this invention. MEMS技術を用いて製造される振動型発電装置の一従来例を示す模式図Schematic diagram showing a conventional example of a vibration power generator manufactured using MEMS technology

本明細書中では、エネルギーハーベスティングを目的として、振動駆動型の発電装置が提案されている。この発電装置では、交互に配列されたエレクトレットと対向電極がプルーフマスの下部において同一表面に形成されている。本明細書中で提案されている発電装置の特徴は、以下の通りである。第1の特徴は、強誘電体基板に形成されるフリンジ電界が利用されている点である。第2の特徴は、2つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化が利用されている点である。第3の特徴は、1,000以上の大きな比誘電率を有する強誘電体が可動体としてではなく基板として用いられている点である。第4の特徴は、プルーフマスの移動量に対して従来より大きな容量値の変化を得ることが期待される点である。第5の特徴は、表面マイクロマシニングを適用することができるので、配線を含む構造を単純化して製造コストを削減することが可能な点である。なお、本明細書中では、提案された動作原理の妥当性を確認するために、電界の演算や容量変化の調査が行われているが、これらの演算や調査には有限要素法(FEM[Finite Element Method])シミュレーションが用いられている。MEMS製造プロセスは、多軸方向(X軸方向、Y軸方向、及び、Z軸方向)に各々対応する3つのデバイスによって形成される発電システム用に設計されている。装置製造の第1ステップとして、櫛歯形に形成された高分子膜(CYTOP[登録商標]フィルム)には、所定量の電荷が首尾よく注入される。   In the present specification, a vibration drive type power generator is proposed for the purpose of energy harvesting. In this power generator, electrets and counter electrodes arranged alternately are formed on the same surface at the lower part of the proof mass. The characteristics of the power generation device proposed in this specification are as follows. The first feature is that a fringe electric field formed on a ferroelectric substrate is used. The second feature is that a change in volume occupancy of the dielectric occupying between the two electrodes is used. A third feature is that a ferroelectric having a large relative dielectric constant of 1,000 or more is used as a substrate, not as a movable body. The fourth feature is that it is expected to obtain a larger change in capacitance value than the conventional method with respect to the amount of movement of the proof mass. The fifth feature is that since surface micromachining can be applied, it is possible to simplify the structure including the wiring and reduce the manufacturing cost. In this specification, in order to confirm the validity of the proposed operating principle, calculation of electric field and investigation of capacitance change are performed. However, for these calculation and investigation, a finite element method (FEM [FEM [ Finite Element Method]) simulation is used. The MEMS manufacturing process is designed for a power generation system formed by three devices each corresponding to a multi-axis direction (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction). As a first step in manufacturing the device, a predetermined amount of electric charge is successfully injected into the polymer film (CYTOP [registered trademark] film) formed in a comb shape.

(第1節−序論)
近年、微小発電システムは、バッテリやスラスタなどの用途で、大きな注目を集めている。ユビキタスセンサネットワークやモバイル通信など、低消費電力用途向けのバッテリとして、振動駆動型の発電装置が報告されている。電磁型や圧電型に比べて、静電型の発電装置は、微細加工技術との整合性や数十Hz以下の低周波帯振動に対する適合性の点で有利であると考えられている。微細加工された容量性の振動駆動型発電装置については、その発電能力に関する調査結果がいくつか報告されている。なお、このような振動駆動型発電装置では、エレクトレットが利用されている。エレクトレットとは、それに注入された電荷を長期間、すなわち、半永久的に保持する素子である。本明細書中においても、エレクトレットを用いた容量性のMEMS発電装置が重点的に取り扱われている。
(Section 1-Introduction)
In recent years, micro power generation systems have attracted much attention for applications such as batteries and thrusters. As a battery for low power consumption applications such as ubiquitous sensor networks and mobile communications, vibration-driven power generators have been reported. Compared to the electromagnetic type and the piezoelectric type, the electrostatic power generation device is considered to be advantageous in terms of compatibility with the microfabrication technology and compatibility with low frequency band vibrations of several tens of Hz or less. Regarding the micro-machined capacitive vibration-driven power generator, some research results regarding its power generation capacity have been reported. In such a vibration drive type power generator, an electret is used. An electret is an element that retains the charge injected therein for a long period, that is, semipermanently. Also in this specification, capacitive MEMS power generation devices using electrets are dealt with with emphasis.

上記報告済みの容量性発電装置において、2つの電極間の絶縁体としては、空気などの気体や真空(比誘電率ε=1)が用いられている。上記の絶縁体を強誘電体、例えば、上記の絶縁体よりもずっと大きな比誘電率εを有するPZTやBaTiO3など(これらの比誘電率εは通常1,000以上)に置き代えてやれば、より大きな発電出力を得ることが期待できる。また、上記報告済みの容量性発電装置は、通常、単一方向の振動を利用するものである。ランダムな人体の動きによる運動エネルギーを回収するためには、多軸振動を利用する発電装置の方がより望ましい。 In the reported capacitive power generation device, a gas such as air or vacuum (relative permittivity ε = 1) is used as an insulator between two electrodes. If the above insulator is replaced with a ferroelectric material, for example, PZT or BaTiO 3 having a relative permittivity ε much larger than that of the above insulator (the relative permittivity ε is usually 1,000 or more). It can be expected to obtain a larger power output. In addition, the reported capacitive power generation apparatus normally uses unidirectional vibration. In order to collect kinetic energy due to random human body movements, a power generator using multi-axis vibration is more desirable.

これらの状況に鑑み、本願の発明者は、プルーフマスの移動によって生じる容量変化に応じたエレクトレット発電システムの開発を目指している。このエレクトレット発電システムは、下記2点の特徴を有している。第1の特徴は、上記の発電装置は、水平方向の振動だけでなく、垂直方向の振動からも電流を生成することができるという点である。これは、エネルギー回収の効率化を図る上で有用である。第2の特徴は、上記の発電装置は、2つの電極間の重なり面積及び/またはギャップ距離の変化を利用するだけでなく、2つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化も利用している点である。   In view of these circumstances, the inventors of the present application aim to develop an electret power generation system that responds to a change in capacity caused by the movement of the proof mass. This electret power generation system has the following two features. The first feature is that the power generation device described above can generate a current not only from vibration in the horizontal direction but also from vibration in the vertical direction. This is useful for improving the efficiency of energy recovery. The second feature is that the above power generation apparatus not only uses the change in the overlap area and / or gap distance between the two electrodes, but also uses the change in the volume occupancy of the dielectric material between the two electrodes. It is a point.

後者の目的を達成すべく、本願の発明者は、以前に、非常に大きな容量変化を得る目的で、強誘電体のPZT(比誘電率εr=2,600)をプルーフマスとして用いた発電装置を報告した。このエレクトレット発電装置の原理については、図1で概略的に示されている。図1は、強誘電体のPZT板を用いた電極対面型の発電装置の電気的モデル図である。なお、図中の符号A1はベース電極、符号A2はエレクトレット、符号A3はパリレン、符号A4はPZT板、及び、符号A5は対向電極を示している。初めから所定量の電荷Qがベース電極A1上のエレクトレットA2にトラップされているので、2つの電極間(エレクトレットA2と対向電極A5との間)における容量値Cに変化が生じると、その電荷Qの一部が対向電極A5に誘導され、外部回路に電流Iが供給される。なお、容量値Cは、下記の(1)式で表される。 In order to achieve the latter purpose, the inventor of the present application previously used a ferroelectric PZT (relative permittivity ε r = 2600) as a proof mass for the purpose of obtaining a very large capacitance change. Reported device. The principle of this electret power generator is schematically shown in FIG. FIG. 1 is an electrical model diagram of an electrode-facing power generation device using a ferroelectric PZT plate. In the figure, symbol A1 indicates a base electrode, symbol A2 indicates an electret, symbol A3 indicates parylene, symbol A4 indicates a PZT plate, and symbol A5 indicates a counter electrode. Since a predetermined amount of charge Q is trapped in the electret A2 on the base electrode A1 from the beginning, if the capacitance value C changes between the two electrodes (between the electret A2 and the counter electrode A5), the charge Q Is induced to the counter electrode A5, and the current I is supplied to the external circuit. The capacitance value C is expressed by the following equation (1).

上記(1)式中において、ε0は空気の比誘電率であり、Sは対面している2つの電極間の重なり面積であり、dは2つの電極間のギャップ距離である。プルーフマスが水平方向に振動駆動された場合、上記の重なり面積Sが変化して容量値CがΔCだけ変化する。なお、比誘電率εrを乗算した重なり面積Sが容量値Cに影響を及ぼすことから、比誘電率εrが大きいほど、より大きな変化量ΔCが得られる点に注目すべきである。一方、プルーフマスが垂直方向に振動駆動された場合、上記のギャップ距離dが変化して、容量値CがΔCだけ変化する。この場合も、上記と同様の理由から、比誘電率εrは大きい方がより好ましい。 In the above equation (1), ε 0 is the relative dielectric constant of air, S is the overlapping area between the two electrodes facing each other, and d is the gap distance between the two electrodes. When the proof mass is driven to vibrate in the horizontal direction, the overlap area S changes and the capacitance value C changes by ΔC. It should be noted that since the overlapping area S multiplied by the relative dielectric constant ε r affects the capacitance value C, the larger the relative dielectric constant ε r , the larger the amount of change ΔC can be obtained. On the other hand, when the proof mass is driven to vibrate in the vertical direction, the gap distance d changes, and the capacitance value C changes by ΔC. Also in this case, for the same reason as described above, it is more preferable that the relative dielectric constant ε r is large.

しかしながら、上記した報告済みの発電装置は、一つの問題点を有していた。この発電装置を含む従来の容量性発電装置において、図2A及び図2B(エレクトレットを櫛歯形の部材に分割することの効果を説明するための模式図)で示すように、プルーフマスの水平移動時における容量値Cの変化量ΔCを増大させるためには、エレクトレットA2を櫛歯形の部材に分割するべきである。なぜなら、重なり面積率の変化について見ると、図2Aの構成ではb/aであるのに対して、図2Bの構成では2n×(b/a)(ただしnは櫛歯の本数)であり、同一量の水平移動に対してn倍の面積率変化が生じるからである。   However, the reported power generator described above has one problem. In the conventional capacitive power generation device including this power generation device, as shown in FIGS. 2A and 2B (schematic diagram for explaining the effect of dividing the electret into comb-shaped members), the proof mass is moved horizontally. In order to increase the amount of change ΔC in the capacitance value C, the electret A2 should be divided into comb-shaped members. This is because the change in the overlapping area ratio is b / a in the configuration of FIG. 2A, whereas 2n × (b / a) (where n is the number of comb teeth) in the configuration of FIG. 2B. This is because the area ratio changes n times as much as the same amount of horizontal movement.

このとき、発電量の増大を目的として2電極間の重なり面積Sを最大化するためには、櫛歯形のエレクトレットA2とこれに対応する櫛歯形の対向電極A5とを正確に配列することが要求される。従来の容量性発電装置は、一般に、エレクトレットA2を支持する部材と対向電極A5を支持する部材から成り、これらの部材は各個別に製造された後、微小なギャップ距離を持たせて互いに対向する形で最終的に貼り合わされていた。しかしながら、このような組立構造では、エレクトレットA2と対向電極A5とを正確に配列することが極めて困難であった。   At this time, in order to maximize the overlapping area S between the two electrodes for the purpose of increasing the amount of power generation, it is required to accurately arrange the comb-shaped electret A2 and the corresponding comb-shaped counter electrode A5. Is done. Conventional capacitive power generators generally comprise a member that supports electret A2 and a member that supports counter electrode A5, and these members are individually manufactured and then face each other with a small gap distance. It was finally pasted in the form. However, in such an assembly structure, it is extremely difficult to accurately arrange the electret A2 and the counter electrode A5.

このような問題を解決するために、本明細書中では、表面マイクロマシニングが可能な容量性発電装置が提案されている。そして、図3A〜図3Cに示したように、この発電装置において、櫛歯形のエレクトレットB2と対向電極B4は、プルーフマスB1の下部において同一表面に形成されている。ここでの配列は、フォトリソグラフィ技術による単一マスクを用いて、正確に実施される。また、電気的な配線は、プルーフマスB1の表面上にのみ必要であり、基板B5の表面には不要である。従って、構造を単純化して製造コストを削減することが期待できる。また、この発電装置において、プルーフマスB1は、バルクPZTやセラミック基板上にスクリーン印刷されたBaTiO3などの強誘電体基板B5の上部に設けられている。強誘電体素材は、一般にエッチングすることが難しい。そこで、今回提案する発電装置では、実際の製造工程を鑑み、懸架されたプルーフマスB1としてではなく、基板B5として強誘電体が用いられている。このような構成は、今回提案する発電装置が備えた特徴の一つである。強誘電体基板B5に形成されるフリンジ電界B7は有効に利用されるが、その詳細な原理については、後ほど説明する。 In order to solve such a problem, a capacitive power generation device capable of surface micromachining is proposed in this specification. And as shown to FIG. 3A-FIG. 3C, in this electric power generating apparatus, the comb-shaped electret B2 and the counter electrode B4 are formed in the same surface in the lower part of the proof mass B1. The alignment here is accurately performed using a single mask by photolithography technology. Also, electrical wiring is necessary only on the surface of the proof mass B1, and is not necessary on the surface of the substrate B5. Therefore, it can be expected to simplify the structure and reduce the manufacturing cost. Further, in this power generator, the proof mass B1 is provided on an upper portion of a ferroelectric substrate B5 such as a bulk PZT or BaTiO 3 screen-printed on a ceramic substrate. Ferroelectric materials are generally difficult to etch. Therefore, in the power generation apparatus proposed this time, a ferroelectric material is used as the substrate B5 instead of the suspended proof mass B1 in view of an actual manufacturing process. Such a configuration is one of the features of the power generator proposed here. The fringe electric field B7 formed on the ferroelectric substrate B5 is effectively used. The detailed principle will be described later.

今回提案する発電装置の独創的な特徴については、下記の通り総括することができる。第1の特徴は、交互に配列された2電極(すなわち、エレクトレットと対向電極)の間に形成されるフリンジ電界が利用されている点である。第2の特徴は、2つの電極間に占める誘電体の体積占有率の変化が利用されている点である。第3の特徴は、1,000以上の大きな比誘電率を有する強誘電体がプルーフマスとしてではなく基板として用いられている点である。第4の特徴は、これらの考案により、プルーフマスの移動量に対して従来よりも大きな容量値の変化を得ることが期待され、延いては、より大きな発電量が得られる点である。第5の特徴は、表面マイクロマシニングを適用することができるので、配線を含む構造を単純化して製造コストを削減することが可能な点である。   The original features of the power generator proposed this time can be summarized as follows. The first feature is that a fringe electric field formed between two alternately arranged electrodes (that is, an electret and a counter electrode) is used. The second feature is that a change in volume occupancy of the dielectric occupying between the two electrodes is used. The third feature is that a ferroelectric having a large relative dielectric constant of 1,000 or more is used as a substrate, not as a proof mass. The fourth feature is that these devices are expected to obtain a larger change in capacity value than the prior art with respect to the amount of movement of the proof mass, and thus a larger amount of power generation can be obtained. The fifth feature is that since surface micromachining can be applied, it is possible to simplify the structure including the wiring and reduce the manufacturing cost.

また、以下で説明する本明細書の内容は、次のように系統化されている。次の第2節では、今回提案する発電装置の概念及び動作原理が説明されている。第3節では、電界の演算や容量変化の調査を行うために、有限要素法(FEM)シミュレーションが実施されている。第4節では、発電装置の製造工程が説明されている。第5節では、発電装置の実際の製造前に、所定量の電荷が高分子CYTOPフィルムに予め注入されている。これは研究段階の装置を用いたエレクトレット製造の可能性を確かめるためである。   Further, the contents of the present specification described below are organized as follows. The next section 2 explains the concept and operating principle of the power generation apparatus proposed this time. In Section 3, a finite element method (FEM) simulation is performed to calculate the electric field and investigate the capacitance change. Section 4 describes the manufacturing process of the power generator. In Section 5, a predetermined amount of charge is pre-injected into the polymer CYTOP film before the actual production of the power generator. This is to confirm the possibility of producing electrets using research equipment.

(第2節−概念及び動作原理)
2.1 装置構造
本節では、概念及び動作原理について、図3A〜図3Cを参照して説明する。図3A〜図3Cは、いずれも発電原理を説明するための模式図であり、それぞれ、可動体が初期位置にある状態、可動体が水平移動された後の状態、及び、可動体が垂直移動された後の状態を示している。なお、本図中の符号B1はプルーフマス(可動体)、符号B2はエレクトレット、符号B3はベース電極、符号B4は対向電極、符号B5は強誘電体基板、符号B6はフローティング電極、及び、符号B7はフリンジ電界を示している。
(Section 2-Concept and Principle of Operation)
2.1 Device Structure In this section, the concept and operation principle will be described with reference to FIGS. 3A to 3C. 3A to 3C are schematic diagrams for explaining the principle of power generation. The movable body is in the initial position, the movable body is horizontally moved, and the movable body is moved vertically. The state after being done is shown. In this figure, symbol B1 is a proof mass (movable body), symbol B2 is an electret, symbol B3 is a base electrode, symbol B4 is a counter electrode, symbol B5 is a ferroelectric substrate, symbol B6 is a floating electrode, and symbol B7 indicates a fringe electric field.

エレクトレットB2は、電気的に接地されたベース電極B3に隣接して形成された高分子素材(本実施形態では例えばCYTOPを使用)から形成されている。櫛歯形のエレクトレットB2は、図3A〜図3Cに示すように、絶縁体(本実施形態では、例えばSU−8やパリレンを使用)から成る可動体B1の下面に形成されている。櫛歯形の対向電極B4は、エレクトレットB2と同じく、可動体B1の下面に形成されている。すなわち、可動体B1の下面には、交互に配列された2つの電極(すなわち、エレクトレットB2と対向電極B4)がいずれも形成されている。フリンジ電界B7は、上記2電極間に形成される。フリンジ電界B7を利用することにより、製造面やコスト面でより好ましい表面マイクロマシニングを適用することが可能となる。   The electret B2 is formed of a polymer material (for example, CYTOP is used in this embodiment) formed adjacent to the electrically grounded base electrode B3. As shown in FIGS. 3A to 3C, the comb-shaped electret B2 is formed on the lower surface of the movable body B1 made of an insulator (in the present embodiment, for example, SU-8 or parylene is used). The comb-shaped counter electrode B4 is formed on the lower surface of the movable body B1, as with the electret B2. That is, two electrodes (namely, electret B2 and counter electrode B4) arranged alternately are formed on the lower surface of the movable body B1. A fringe electric field B7 is formed between the two electrodes. By using the fringe electric field B7, it is possible to apply surface micromachining more preferable in terms of manufacturing and cost.

MEMS技術を用いることにより、可動体B1は、PZT板、或いは、セラミック板上のBaTiO3のような強誘電体基板B5の上部に形成される。ここで、電気力線は、誘電体を貫く一方、導電体を貫かないことが知られている。そこで、強誘電体基板B5の表面には、櫛歯形の金属性のフローティング電極B6が形成されている。なお、強誘電体基板B5の表面に形成された金属性のフローティング電極B6は、電気的に浮いた状態、すなわち、接地端や電源端などに接続されていない状態とされている。 By using the MEMS technique, the movable body B1 is formed on a PZT plate or a ferroelectric substrate B5 such as BaTiO 3 on a ceramic plate. Here, it is known that the lines of electric force penetrate the dielectric, but do not penetrate the conductor. Therefore, a comb-like metallic floating electrode B6 is formed on the surface of the ferroelectric substrate B5. Note that the metallic floating electrode B6 formed on the surface of the ferroelectric substrate B5 is in an electrically floating state, that is, not connected to a ground terminal, a power supply terminal, or the like.

2.2 水平振動時の動作原理
外的な振動入力によって可動体B1が水平方向に移動されたとき、図3Aと図3Bとを用いて対比的に示したように、フリンジ電界B7とフローティング電極B6との相対的な配置関係が変化し、強誘電体基板B5を貫く電気力線の状態が変化する。つまり、可動体B1の初期位置(図3Aを参照)では、電気力線が強誘電体基板B5の内部に進入しやすい状態となっているが、可動体B1の水平移動後の位置(図3Bを参照)では、電気力線がフローティング電極B6によってブロックされ、強誘電体基板B5の内部に進入しにくい状態となる。この事実は、エレクトレットB2と対向電極B4との間に形成される容量C(=εrε0S/d、符号の意味については第1節を参照)が変化することを意味している。この変化は、2つの電極間に存在する誘電体と空気の体積比、すなわち、等価比誘電率εrが変化することによって生じる。
2.2 Principle of operation during horizontal vibration When the movable body B1 is moved in the horizontal direction by external vibration input, as shown in comparison with FIGS. 3A and 3B, the fringe electric field B7 and the floating electrode The relative arrangement relationship with B6 changes, and the state of the lines of electric force passing through the ferroelectric substrate B5 changes. That is, at the initial position of the movable body B1 (see FIG. 3A), the lines of electric force are likely to enter the ferroelectric substrate B5, but the position after the horizontal movement of the movable body B1 (FIG. 3B). )), The electric lines of force are blocked by the floating electrode B6, which makes it difficult to enter the ferroelectric substrate B5. This fact means that the capacitance C (= ε r ε 0 S / d, see section 1 for the meaning of the sign) formed between the electret B2 and the counter electrode B4 changes. This change is caused by a change in the volume ratio between the dielectric and air existing between the two electrodes, that is, the equivalent relative dielectric constant ε r .

2電極間における上記の容量変化に伴って、所定量の電荷Qが対向電極B4に導入される。そして、この電荷Qは、下記の(2)式に基づき、電流Iとして引き出される。   Along with the change in capacitance between the two electrodes, a predetermined amount of charge Q is introduced into the counter electrode B4. And this electric charge Q is drawn out as the electric current I based on the following (2) Formula.

なお、上記(2)式中、Vchargeは、エレクトレットB2の表面電圧を示している。図3A及び図3Bの左側には、それぞれ、今回提案する発電装置の上記概念及び動作原理を模式的に示した等価回路が描写されている。 The above (2) where, V charge indicates the surface voltage of the electret B2. On the left side of FIGS. 3A and 3B, an equivalent circuit schematically showing the concept and operating principle of the power generation apparatus proposed this time is depicted.

上記(2)式から分かるように、大きな電流Iを発生させる上で、比誘電率εrは大きいほど好ましいことに留意すべきである。上記(2)式は、基板B5を形成する素材として、高い誘電率を持つ素材、すなわち、強誘電体を採用することの重要性を示している。 As can be seen from the above equation (2), it should be noted that the larger the relative dielectric constant ε r is, the better, in generating the large current I. The above equation (2) shows the importance of adopting a material having a high dielectric constant, that is, a ferroelectric, as a material for forming the substrate B5.

2.3 垂直振動時の動作原理
可動体B1が垂直方向に移動されたとき、図3Aと図3Cとを用いて対比的に示したように、可動体B1と基板B5との垂直距離がより小さくなると、等価比誘電率εrはより大きくなり、逆に、可動体B1と基板B5との垂直距離がより大きくなると、等価比誘電率εrはより小さくなる。従って、水平方向の振動時と同様の原理に基づいて発電することができる。
2.3 Operating Principle during Vertical Vibration When the movable body B1 is moved in the vertical direction, the vertical distance between the movable body B1 and the substrate B5 is greater as shown in comparison with FIGS. 3A and 3C. When it becomes smaller, the equivalent relative dielectric constant ε r becomes larger. Conversely, when the vertical distance between the movable body B1 and the substrate B5 becomes larger, the equivalent relative dielectric constant ε r becomes smaller. Therefore, it is possible to generate power based on the same principle as that in the horizontal vibration.

(第3節−容量変化に関するFEMシミュレーション)
3.1 シミュレーション条件
本節では、先述の動作原理を理論的に確認する。フリンジ電界を分析的に演算することは困難である。そこで、容量変化とプルーフマスの移動量との関係を知るために、FEMシミュレーションを実施した。FEMソフトウェアとしては、Comsol社製のFEMLABを採用した。シミュレーション条件は図4に示されている。なお、図4中の符号は図3A〜図3C中の符号と同様であり、符号B1がプルーフマス(素材:パリレン(εr=3.15)、符号B2がエレクトレット(素材:CYTOP(εr=2.1)、表面電圧:−300V)、符号B3がベース電極(0V)、符号B4が対向電極(0V)、符号B5が基板(素材:PZT(εr=2,600)、または、SiO2(εr=3.1))、符号B6がフローティング電極である。また、符号B8はギャップ間に存在する空気である。図4に示すように、今回のFEMシミュレーションでは、対称性を考慮に入れて、2次元(2D)モデルを採用した。構造、素材、及び、寸法については、実際の発電装置用に設計された具体的な製造プロセス(詳細は第4節にて詳述)を参照している。
(Section 3-FEM simulation on capacitance change)
3.1 Simulation conditions In this section, the above operating principle is theoretically confirmed. It is difficult to calculate the fringe electric field analytically. Therefore, in order to know the relationship between the change in capacity and the amount of movement of the proof mass, an FEM simulation was performed. As FEM software, Comsol FEMLAB was employed. The simulation conditions are shown in FIG. 4 is the same as that in FIGS. 3A to 3C, B1 is a proof mass (material: parylene (ε r = 3.15), B2 is an electret (material: CYTOP (ε r = 2.1), surface voltage: -300 V), B3 is a base electrode (0 V), B4 is a counter electrode (0 V), B5 is a substrate (material: PZT (ε r = 2600), or SiO 2r = 3.1)), symbol B6 is a floating electrode, symbol B8 is air existing between the gaps, as shown in FIG. Taking into account, a two-dimensional (2D) model was adopted, and the specific manufacturing process designed for the actual power generator (details are detailed in Section 4) for the structure, material, and dimensions. Refers to.

基板として強誘電体を使用することの効果を調べるために、基板B5の素材としては、PZT(εr=2,600)のほかに、SiO2(εr=3.1)を参照用として用いた。 In order to investigate the effect of using a ferroelectric as a substrate, as a material of the substrate B5, in addition to PZT (ε r = 2,600), SiO 2r = 3.1) is used for reference. Using.

分析空間の総容量は、下記の(3)式中に挙げる全てのFEM要素の電気的データを積分することによって演算されている。   The total capacity of the analysis space is calculated by integrating the electrical data of all the FEM elements listed in the following equation (3).

上記(3)式中、Weは電気エネルギーの総量であり、VchargeはエレクトレットB2の表面電圧である(想定値は−300V、第5節を参照)。Eは電界を示しており、Dは電気的変位量を示している。分析空間における上記パラメータ値を用いることにより、1mm×1mm板の総容量が演算される。 Above (see assumed value is -300 V, Section 5) (3) where, W e is the total amount of electrical energy, V charge is the surface voltage of the electret B2. E indicates an electric field, and D indicates an electrical displacement amount. By using the parameter values in the analysis space, the total capacity of a 1 mm × 1 mm plate is calculated.

3.2 シミュレーション結果
電気力線と電位の分布に関するシミュレーション結果から、電気力線は、部分的にフローティング電極B6にブロックされながらも、強誘電体基板B5に確実に進入していることを確認することができた。
3.2 Simulation Result From the simulation result regarding the electric field lines and the distribution of the electric potential, it is confirmed that the electric field lines are surely entering the ferroelectric substrate B5 while being partially blocked by the floating electrode B6. I was able to.

また、プルーフマスB1の変位により、先出の(1)式に従う容量Cが得られる。初期位置(図3Aを参照)から水平方向(X方向)へのマス変位に応じた容量変化のシミュレーション結果は図4に示されている。同様に、垂直方向(Z方向)へのマス変位、すなわち、可動体B1と基板B5表面とのギャップ距離に応じた容量変化に関するシミュレーション結果は図5に示されている。   Further, the displacement C of the proof mass B1 provides the capacitance C according to the above-described equation (1). FIG. 4 shows a simulation result of the change in capacitance according to the mass displacement in the horizontal direction (X direction) from the initial position (see FIG. 3A). Similarly, FIG. 5 shows a simulation result relating to a mass change in the vertical direction (Z direction), that is, a capacitance change according to a gap distance between the movable body B1 and the surface of the substrate B5.

これらの図を見ることにより、水平方向及び垂直方向のいずれのマス変位に応じても、容量が確実に変化していることが証明される。このことは、多軸振動入力に応じて発電を行う上で効果的である。また、PZT基板を用いた場合のマス変位に応じた容量変化率はSiO2を用いた場合のそれに比べて優れていることが証明される。このことは、大きな比誘電率を有する強誘電体基板の使用が効果的であることを示している。 By looking at these figures, it is proved that the capacity is surely changed regardless of the mass displacement in either the horizontal direction or the vertical direction. This is effective in generating power in response to multi-axis vibration input. Further, it is proved that the capacity change rate corresponding to the mass displacement when the PZT substrate is used is superior to that when SiO 2 is used. This indicates that the use of a ferroelectric substrate having a large relative dielectric constant is effective.

(第4節−製造プロセス)
MEMS発電システムの概要は、図7に示されている。なお、本図に示すMEMS発電システムは、X、Y、Z方向用として、3つの発電装置C1、C2、C3を含んでいる。また、本図中の符号D1はプルーフマス(可動体)、符号D2は梁部、符号D3はエレクトレット、符号D4は対向電極、符号D5はフローティング電極を示している。
(Section 4-Manufacturing Process)
An overview of the MEMS power generation system is shown in FIG. In addition, the MEMS power generation system shown in this figure includes three power generation devices C1, C2, and C3 for the X, Y, and Z directions. Further, in the figure, reference numeral D1 indicates a proof mass (movable body), reference numeral D2 indicates a beam portion, reference numeral D3 indicates an electret, reference numeral D4 indicates a counter electrode, and reference numeral D5 indicates a floating electrode.

今回提案する発電装置の製造プロセスは、実際の発電装置用に設計されたものであり、図8A〜図8Fに示されている。本節では、以下に詳細を説明する。   The manufacturing process of the power generation apparatus proposed this time is designed for an actual power generation apparatus and is shown in FIGS. 8A to 8F. In this section, the details are described below.

図8Aには、フローティング電極を形成するために、アルミニウムのスパッタリングとパターニングが行われる様子が示されている。   FIG. 8A shows how aluminum sputtering and patterning is performed to form a floating electrode.

まず、シリコンウェハE1(厚さ500μm)が準備される。シリコンウェハE1上に表面研磨されたPZT板E3(10mm角、厚さ100μm、フルウチ化学社製、εr=2,600)が貼り付けられる。このとき、接着剤E2としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS[polydimethylsilozane])が用いられる。その後、アルミニウムE4(厚さ0.1μm)がPZT板E3の表面にスパッタされ、櫛歯形のフローティング電極がパターニングされる。 First, a silicon wafer E1 (thickness: 500 μm) is prepared. A surface-polished PZT plate E3 (10 mm square, thickness 100 μm, manufactured by Furuuchi Chemical Co., ε r = 2600) is pasted on the silicon wafer E1. At this time, polydimethylsiloxane (PDMS [polydimethylsilozane]) is used as the adhesive E2. Thereafter, aluminum E4 (thickness: 0.1 μm) is sputtered on the surface of the PZT plate E3, and the comb-shaped floating electrode is patterned.

図8Bには、プラズマ化学気相堆積法(PECVD[plasma-enhanced chemical vapor deposition])を用いてアモルファスシリコンが堆積され、さらにそのアモルファスシリコンにスロットやディンプルが形成される様子が示されている。   FIG. 8B shows a state in which amorphous silicon is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and slots and dimples are formed in the amorphous silicon.

アモルファスシリコンE5(厚さ1μm)は、PECVDを用いて犠牲層として堆積される。その後、スロットE6やディンプルE7を形成するために、SF6プラズマを用いてエッチングされる。なお、アモルファスシリコンE5の機能は後述する。 Amorphous silicon E5 (thickness 1 μm) is deposited as a sacrificial layer using PECVD. Thereafter, in order to form slots E6 and dimples E7, etching is performed using SF 6 plasma. The function of the amorphous silicon E5 will be described later.

図8Cには、注入済み電荷を保護するためにパリレンが堆積された後に、CYTOPがスピンコーティングされ、さらに、そのCYTOPがO2プラズマによってエッチングされる様子が示されている。 FIG. 8C shows how CYTOP is spin-coated after parylene is deposited to protect the injected charge, and then the CYTOP is etched by O 2 plasma.

パリレンE8(厚さ2μm)は、以後のプロセス中や、可動体が基板と衝突するような使用時においても、エレクトレットの注入電荷が放電してしまわないように保護する目的で、CVDによって堆積される。パリレンE8の堆積は等角であることから、アモルファスシリコンE5上のスロットE6(図8Bを合わせて参照)は、パリレンE8によって満たされており、これによって、可動体と基板とを結ぶアンカーが形成される。梁部とアンカー部/マス部とを結ぶ結合部材の機械的強度を鑑みると、アンカー部とマス部のいずれにおけるパリレンE8の高さも互いに同一であることが望ましい。そのため、アモルファスシリコンE5にはスロットE6が形成されており、アンカー接触面積が最小限とされている。また、アモルファスシリコンE5上に形成されたディンプルE7(図8Bを合わせて参照)にも、パリレンE8が満たされており、アモルファスシリコンE5を除去した後には、スティクション(貼り付き)防止用のバンプが形成される。   Parylene E8 (thickness: 2 μm) is deposited by CVD for the purpose of protecting the injected charge of the electret from being discharged during subsequent processes and when the movable body collides with the substrate. The Since the deposition of parylene E8 is equiangular, slot E6 (see also FIG. 8B) on amorphous silicon E5 is filled with parylene E8, thereby forming an anchor connecting the movable body and the substrate. Is done. In view of the mechanical strength of the connecting member connecting the beam portion and the anchor portion / mass portion, it is desirable that the height of the parylene E8 in both the anchor portion and the mass portion is the same. Therefore, the slot E6 is formed in the amorphous silicon E5, and the anchor contact area is minimized. The dimples E7 (see also FIG. 8B) formed on the amorphous silicon E5 are filled with the parylene E8, and after removing the amorphous silicon E5, bumps for preventing stiction (adhesion). Is formed.

CYTOPフィルムE9(旭硝子社製、CTL−809型)は、パリレンE8の表面にスピンコートされた後、120℃で10分間乾燥される。なお、1回のスピンコートにより、0.3μmの厚さが得られる。このプロセスは10回繰り返され、合計3μmの厚さが得られる。そして、最終的には180℃で1時間乾燥される。CYTOPフィルムE9は、櫛歯形のエレクトレット領域を形成するために、O2プラズマでエッチングされる。 CYTOP film E9 (Asahi Glass Co., Ltd., CTL-809 type) is spin coated on the surface of Parylene E8 and then dried at 120 ° C. for 10 minutes. A thickness of 0.3 μm can be obtained by one spin coating. This process is repeated 10 times for a total thickness of 3 μm. Finally, it is dried at 180 ° C. for 1 hour. The CYTOP film E9 is etched with O 2 plasma to form a comb-shaped electret region.

図8Dには、対向電極を形成するために、アルミニウムのスパッタリングとパターニングが行われる様子が示されている。なお、コロナ放電(大気放電)によるCYTOPフィルムへの電荷注入は、この時点で行われる。   FIG. 8D shows how aluminum is sputtered and patterned to form the counter electrode. The charge injection into the CYTOP film by corona discharge (atmospheric discharge) is performed at this point.

アルミニウムE10(厚さ0.5μm)は、櫛歯形の対向電極を形成するために、スパッタリング及びパターニングされる。その後、形成済みのCYTOPフィルムE9(図8Cを合わせて参照)に対して、コロナ放電(大気放電)により所定量の電荷が注入される(詳細は第5節にて後述)。なお、表面電圧Vchargeの想定値は−300Vである。 Aluminum E10 (thickness 0.5 μm) is sputtered and patterned to form a comb-like counter electrode. Thereafter, a predetermined amount of charge is injected by corona discharge (atmospheric discharge) into the formed CYTOP film E9 (see also FIG. 8C) (details will be described later in Section 5). The assumed value of the surface voltage V charge is −300V.

図8Eには、パリレンが堆積され、その上にベース電極としてのアルミニウムがスパッタリングされた後、さらに、パリレンが堆積される様子が示されている。   FIG. 8E shows a state in which parylene is further deposited after parylene is deposited and aluminum as a base electrode is sputtered thereon.

パリレンE11(厚さ4μm)は、放電防止用に堆積される。アルミニウムE12(厚さ0.5μm)は、櫛歯形のエレクトレットの基板電極を形成するために、スパッタリング及びパターニングされる。そして再び、パリレンE13(厚さ3μm)が放電防止用に堆積される。   Parylene E11 (thickness 4 μm) is deposited to prevent discharge. Aluminum E12 (thickness 0.5 μm) is sputtered and patterned to form comb-teeth electret substrate electrodes. Again, Parylene E13 (thickness 3 μm) is deposited to prevent discharge.

図8Fには、SU−8層がスピンコーティング及びパターニングされた後、O2プラズマによりパリレンがエッチングされ、さらに、XeF2によりアモルファスシリコンがエッチングされることにより、プルーフマス部と梁部が誘電体基板から切り離される様子が示されている。 FIG. 8F shows that after the SU-8 layer is spin-coated and patterned, parylene is etched by O 2 plasma, and amorphous silicon is etched by XeF 2, so that the proof mass portion and the beam portion are dielectric. The state of being separated from the substrate is shown.

SU−8層E14(厚フォトレジスト、KAYAKU MICROCHEM社製、KMPR−1035)は、プルーフマス部を形成するために、スピンコーティング及びパターニングされる。その後、支持梁部を形成するために、O2プラズマによってパリレンE13、E11、及び、E8(図8E及び図8Bを合わせて参照)がエッチングされる。最後に、マス部と梁部とを誘電基板から切り離すために、犠牲的なアモルファスシリコンE5(図8Bを合わせて参照)がXeF2ガスを用いて除去される。このドライエッチングプロセスは、スティクションを防止する上で効果的である。なお、人体の動きなど(数十Hzの振動)から効率よく発電を行うためには、プルーフマス部を指示する梁部(バネ部)を形成する素材として、アスペクト比(縦/横)を大きく設計する必要がある。そこで、図8Fでは、厚膜形成が容易なSU−8層E14が梁部の素材として採用されている。 The SU-8 layer E14 (thick photoresist, manufactured by KAYAKU MICROCHEM, KMPR-1035) is spin coated and patterned to form a proof mass. Thereafter, parylene E13, E11, and E8 (see also FIGS. 8E and 8B) are etched by O 2 plasma to form the support beam. Finally, sacrificial amorphous silicon E5 (see also FIG. 8B) is removed using XeF 2 gas to separate the mass and beam from the dielectric substrate. This dry etching process is effective in preventing stiction. In order to efficiently generate power from human movements (vibrations of several tens of Hz), the aspect ratio (vertical / horizontal) is increased as a material for forming the beam part (spring part) that points to the proof mass part. Need to design. Therefore, in FIG. 8F, the SU-8 layer E14, which is easy to form a thick film, is adopted as the material of the beam portion.

これらのプロセスは、現状において、その一部が実際に実施されており、最適なプロセス条件が模索されている段階である。実際の発電装置の製造や評価については、今後の研究課題である。   Currently, some of these processes are actually implemented, and optimum process conditions are being sought. The actual production and evaluation of power generators is for further study.

(第5節−電荷注入試験)
本節では、所定量の電荷をCYTOPフィルムに注入する一つの予備実験が行われている。もちろん、電荷がCYTOPフィルムに注入され得ることについては、すでに他の研究によって確認されている。そこで、ここで記載されている結果は、我々の研究室で現在使用可能な装置による充電能力を確かめるための一種のフォローアップ研究である。
(Section 5-Charge Injection Test)
In this section, a preliminary experiment is performed in which a predetermined amount of charge is injected into the CYTOP film. Of course, other studies have already confirmed that charges can be injected into CYTOP films. Therefore, the result described here is a kind of follow-up study to confirm the charging capability of the devices currently available in our laboratory.

まず、シリコンウェハが準備される。このウェハの表面上に、放電防止用の絶縁体としてパリレン(厚さ2μm)が堆積される。その後、CYTOPフィルム(厚さ3μm)がその上に形成される(詳細については第4節を参照)。CYTOPフィルムは、櫛歯形のエレクトレットとなる5μm−5μmの線−空間パターン(line-space pattern)を形成するために、O2プラズマによってエッチングされる。 First, a silicon wafer is prepared. Parylene (thickness: 2 μm) is deposited on the surface of the wafer as an insulator for preventing discharge. A CYTOP film (thickness 3 μm) is then formed thereon (see section 4 for details). The CYTOP film is etched with O 2 plasma to form a 5 μm-5 μm line-space pattern that becomes a comb-shaped electret.

所定量の電荷は、コロナ放電によって、加工されたCYTOPフィルムに注入される。この目的のために、静電放電シミュレータ(ノイズラボラトリー社製、typeESS−2002)が用いられている。この実験において、−8kVが放電銃の出力電圧として採用されている。等価電気回路は、図9に概略的に示されている。実験では、2つの放電モデルが適用されている。一つは大気放電モデル(図10Aを参照)であり、もう一つは接触放電モデル(図10Bを参照)である。放電は、各放電間に0.5秒のインターバルを持って、合計600回行われた。接触放電においては、放電期間にスイッチを開くことにより、試料が絶縁状態に保たれた。   A predetermined amount of charge is injected into the processed CYTOP film by corona discharge. For this purpose, an electrostatic discharge simulator (type ESS-2002, manufactured by Noise Laboratories) is used. In this experiment, −8 kV is adopted as the output voltage of the discharge gun. The equivalent electrical circuit is shown schematically in FIG. In the experiment, two discharge models are applied. One is an atmospheric discharge model (see FIG. 10A), and the other is a contact discharge model (see FIG. 10B). Discharges were performed a total of 600 times with an interval of 0.5 seconds between each discharge. In contact discharge, the sample was kept in an insulated state by opening the switch during the discharge period.

なお、図10A及び図10B中の符号F1はシリコンウェハ、符号F2はパリレン、符号F3はCYTOPフィルム、符号F4は放電シミュレータ、符号F5はスイッチを示している。   10A and 10B, reference numeral F1 indicates a silicon wafer, reference numeral F2 indicates parylene, reference numeral F3 indicates a CYTOP film, reference numeral F4 indicates a discharge simulator, and reference numeral F5 indicates a switch.

上記放電後、静電センサ(SUNX社製、typeEF−S1)を用いてCYTOPフィルムの表面電圧が測定された。その結果、大気放電モデルでは約−350V、接触放電モデルでは−250Vがそれぞれ得られることが確かめられた。静電放電シミュレータを用いることにより、CYTOPフィルムへの電荷注入は確かに可能であり、高い表面電圧を得るという観点からすれば、大気放電モデルは接触放電モデルよりも好ましいことが証明された。しかしながら、他の研究によって、約−1,000Vのより高い表面電圧が報告されている。放電中における基板の加熱など、放電の実験条件を変えることにより、この値に追いつくための研究は将来的な課題である。   After the discharge, the surface voltage of the CYTOP film was measured using an electrostatic sensor (type EF-S1 manufactured by SUNX). As a result, it was confirmed that about -350V was obtained in the atmospheric discharge model and -250V was obtained in the contact discharge model. By using an electrostatic discharge simulator, charge injection into the CYTOP film is certainly possible, and it was proved that the atmospheric discharge model is preferable to the contact discharge model from the viewpoint of obtaining a high surface voltage. However, other studies have reported higher surface voltages of about -1,000V. Research to catch up to this value by changing the experimental conditions of discharge, such as heating the substrate during discharge, is a future challenge.

(第6節−結論)
上記で説明したように、本明細書中には、エネルギーハーベスティングを目的として、表面マイクロマシニングが可能な容量性発電装置が提案されている。その発電装置では、交互に配列されたエレクトレットと対向電極がプルーフマスの下部において、同一表面に設けられている。この発電装置は、1,000以上の大きな比誘電率を有する強誘電体基板中に形成されるフリンジ電界を利用する。
(Section 6-Conclusion)
As described above, a capacitive power generation device capable of surface micromachining is proposed in this specification for the purpose of energy harvesting. In the power generator, electrets and counter electrodes arranged alternately are provided on the same surface in the lower part of the proof mass. This power generation device uses a fringe electric field formed in a ferroelectric substrate having a large relative dielectric constant of 1,000 or more.

電界の演算やマス変化に応じた容量変化の調査のために、有限要素法(FEM)シミュレーションを行った。その結果、今回提案した動作原理の正当性が確認された。MEMS製造プロセスは、多軸振動(X軸方向、Y軸方向、及び、Z軸方向)に各々対応する3つのデバイスによって形成される発電システム用に設計されている。   A finite element method (FEM) simulation was performed to investigate the change in capacitance according to the calculation of the electric field and the change in mass. As a result, the validity of the proposed operating principle was confirmed. The MEMS manufacturing process is designed for a power generation system formed by three devices each corresponding to multi-axis vibration (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction).

実際の発電装置の全体的な製造や評価については、今後の研究課題である。特に、金属堆積やウェットエッチングなどの製造プロセス中における放電を防止するための保護層として用いられるパリレンフィルムの能力を確かめることについては、優先的に検討すべき重要な課題である。   The overall production and evaluation of the actual power generation device is for further study. In particular, ascertaining the ability of a parylene film used as a protective layer for preventing discharge during a manufacturing process such as metal deposition or wet etching is an important issue to be preferentially studied.

上記の発電装置を用いたエネルギーハーベスティングにより、電池寿命を心配する煩わしさから解放される。   Energy harvesting using the above power generation device frees you from worrying about battery life.

また、各種センサや無線機器(例えば、ZigBee・300MHz帯特定小電力無線機器)用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。   Further, by applying the above power generation device as a power source for various sensors and wireless devices (for example, a ZigBee / 300 MHz band specific low-power wireless device), a ubiquitous environment by a wireless sensor network can be constructed. That is, since various types of sensors and wireless devices need no power supply wiring, it is possible to realize information linkage in the network by distributing each device.

なお、上記発電装置を用いたユビキタス環境の使用シーンとしては、例えば、医療・健康分野(健康管理や安否確認)、構造物監視(ワイヤ断線やボルト緩みの監視)、プラント監視(設備異常の監視)、並びに、物流管理(流通状態や品質の監視)などを挙げることができる。   In addition, the usage scenes of the ubiquitous environment using the power generation device include, for example, the medical / health field (health management and safety confirmation), structure monitoring (monitoring of wire breakage and bolt loosening), plant monitoring (monitoring of equipment abnormality) ), And distribution management (monitoring of distribution status and quality).

なお、本明細書中で提案する発電装置であれば、表面マイクロマシニングを適用することができるので、製造コストを低減することが可能となる。   Note that since the power generation device proposed in this specification can be applied with surface micromachining, the manufacturing cost can be reduced.

また、本明細書中で提案する発電装置であれば、基板とプルーフマス(可動体)とのギャップ距離を小さくすることができるので、従来構造よりも小型化・高効率化を実現することが可能となる。   Also, with the power generation device proposed in this specification, the gap distance between the substrate and the proof mass (movable body) can be reduced, so that a smaller size and higher efficiency than the conventional structure can be realized. It becomes possible.

また、本明細書中で提案する発電装置であれば、フリンジ電界と強誘電体を利用して、等価的な比誘電率の変化を発電動作に利用することができるので、従来構造(エレクトレットと対向電極との重なり面積変化を発電動作に利用した構造)よりも、発電効率(振動の検出感度)を大幅に高めることが可能となる。   In addition, since the power generation device proposed in this specification can use a fringe electric field and a ferroelectric substance and an equivalent change in relative permittivity can be used for a power generation operation, the conventional structure (electret and The power generation efficiency (vibration detection sensitivity) can be significantly increased as compared with the structure in which the change in the overlapping area with the counter electrode is used for the power generation operation.

また、本明細書中で提案する発電装置であれば、水平方向の振動だけでなく、垂直方向の振動も発電動作に利用することができるので、さらなる発電効率の向上を実現することも可能となる。   Further, with the power generation device proposed in this specification, not only horizontal vibrations but also vertical vibrations can be used for power generation operation, so that further improvement in power generation efficiency can be realized. Become.

また、上記では、エレクトレットに電荷を注入するための手法として、コロナ放電(大気放電)と接触式放電の2種類が検討されているが、本明細書中で提案する発電装置であれば、エレクトレット材が露出した端子(以下、適宜エレクトレット端子と呼ぶ)を装置外部に引き出しておくことにより、製造プロセスの最終工程で、接触式放電を用いてエレクトレットに電荷を注入することができる。従って、大規模なコロナ放電設備が不要となるので、製造コストを削減することが可能となる。また、製造工程途中での放電の心配がないというメリットもある。また、最終工程の犠牲層エッチング直前に、可動体に設けられた貫通穴から放電プローブを差し込んでCYTOPへの電荷の打ち込みが可能であるため、基板を貼り合わせる従来方式と異なり、表面マイクロマシニングが適用可能となる。また、可動体下部の櫛歯電極(エレクトレットと対向電極)と、誘電体上部のフローティング電極との間のミスアライメントの解消にもつながる。   In the above, two types of corona discharge (atmospheric discharge) and contact discharge have been studied as methods for injecting electric charge into the electret. If the power generator proposed in this specification is used, the electret is used. By pulling out a terminal from which the material is exposed (hereinafter, referred to as an electret terminal as appropriate) to the outside of the apparatus, it is possible to inject an electric charge into the electret using contact discharge in the final step of the manufacturing process. Therefore, since a large-scale corona discharge facility is not required, the manufacturing cost can be reduced. In addition, there is a merit that there is no worry about electric discharge during the manufacturing process. Also, since the discharge probe can be inserted from the through hole provided in the movable body and the charge can be injected into the CYTOP immediately before the sacrificial layer etching in the final step, surface micromachining is different from the conventional method in which the substrates are bonded. Applicable. Moreover, it leads to the elimination of misalignment between the comb-tooth electrode (electret and counter electrode) below the movable body and the floating electrode above the dielectric.

以上より、本明細書中で提案する発電装置であれば、従来構造の発電装置に比べて、100倍の高出力と1/2のコストを実現することが可能となる。   As described above, the power generation device proposed in the present specification can realize 100 times higher output and 1/2 cost than the conventional power generation device.

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図11は、本発明の第1実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図12は、図11のα1−α1線に沿った断面図である。図13は、図11に示した本発明の第1実施形態による発電装置の平面図である。図14〜図17は、本発明の第1実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図11〜図17を参照して、本発明の第1実施形態による発電装置50の構造について説明する。
(First embodiment)
FIG. 11 is a perspective view showing the structure of the power generator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line α1-α1 in FIG. FIG. 13 is a plan view of the power generator according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 14-17 is a figure for demonstrating the structure of the electric power generating apparatus by 1st Embodiment of this invention. First, the structure of the power generation apparatus 50 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

第1実施形態による発電装置50は、図11に示すように、セラミック基板1と、セラミック基板1上に形成された強誘電体層2と、強誘電体層2を囲むようにセラミック基板1上に形成された枠体部3と、枠体部3の内側に配置されたプルーフマス4とを備えている。なお、強誘電体層2は、本発明の「誘電体層」の一例であり、プルーフマス4は、本発明の「可動部」の一例である。   As shown in FIG. 11, the power generation device 50 according to the first embodiment includes a ceramic substrate 1, a ferroelectric layer 2 formed on the ceramic substrate 1, and the ceramic substrate 1 so as to surround the ferroelectric layer 2. And a proof mass 4 disposed inside the frame body portion 3. The ferroelectric layer 2 is an example of the “dielectric layer” in the present invention, and the proof mass 4 is an example of the “movable part” in the present invention.

セラミック基板1は、Al23から構成されているとともに、約1mmの厚みを有している。このセラミック基板1の上面上には、グレーズ層5が形成されている。なお、グレーズ層5は、強誘電体層2などを形成するのに適した平滑面を得るために設けられている。また、セラミック基板1(グレーズ層5)の上面上であるとともに、枠体部3の外側の所定領域には、スクリーン印刷法によって形成された配線層6が設けられている。この配線層6は、たとえば、Au(金)などから構成されている。 The ceramic substrate 1 is made of Al 2 O 3 and has a thickness of about 1 mm. A glaze layer 5 is formed on the upper surface of the ceramic substrate 1. The glaze layer 5 is provided to obtain a smooth surface suitable for forming the ferroelectric layer 2 and the like. In addition, a wiring layer 6 formed by a screen printing method is provided on the upper surface of the ceramic substrate 1 (the glaze layer 5) and in a predetermined region outside the frame body portion 3. The wiring layer 6 is made of, for example, Au (gold).

ここで、第1実施形態では、強誘電体層2は、BaTiO3(比誘電率:1,000以上)から構成されている。また、強誘電体層2は、図12および図14に示すように、セラミック基板1(グレーズ層5)上の所定領域に、スクリーン印刷法によって形成されている。この強誘電体層2は、平面的に見て、実質的に四角形状を有している。 Here, in the first embodiment, the ferroelectric layer 2 is made of BaTiO 3 (relative dielectric constant: 1,000 or more). Further, as shown in FIGS. 12 and 14, the ferroelectric layer 2 is formed in a predetermined region on the ceramic substrate 1 (glaze layer 5) by a screen printing method. The ferroelectric layer 2 has a substantially quadrangular shape when seen in a plan view.

また、第1実施形態では、強誘電体層2は、5μm以上の厚みに構成されている。具体的には、強誘電体層2は5μm〜20μmの厚みt1(図16参照)に構成されている。   In the first embodiment, the ferroelectric layer 2 is configured to have a thickness of 5 μm or more. Specifically, the ferroelectric layer 2 is configured to have a thickness t1 (see FIG. 16) of 5 μm to 20 μm.

また、プルーフマス4は、パリレン(Parylen:パラキシリレン系樹脂)から構成されているとともに、図12および図16に示すように、約5μmの厚みt2(図16参照)に構成されている。また、プルーフマス4は、図13に示したように、平面的に見て、実質的に四角形状(一辺の長さが約1000μm)に形成されている。   Further, the proof mass 4 is made of parylene (Parylylene resin) and has a thickness t2 (see FIG. 16) of about 5 μm as shown in FIGS. Further, as shown in FIG. 13, the proof mass 4 is formed in a substantially quadrangular shape (the length of one side is about 1000 μm) when seen in a plan view.

ここで、第1実施形態では、図15に示すように、プルーフマス4の裏面側(下面側)には、2つの電極(第1電極7および第2電極8)が、同一平面内に隣り合うように形成されている。具体的には、第1電極7および第2電極8は、平面的に見て、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、第1電極7の櫛歯部7aと第2電極8の櫛歯部8aとが交互に配列されるように構成されている。また、図16および図17に示すように、第1電極7の櫛歯部7aの幅wおよび第2電極8の櫛歯部8aの幅wは、それぞれ、約5μmに構成されているとともに、第1電極7の櫛歯部7aから隣り合う第2電極8の櫛歯部8aまでの長さgも、約5μmに構成されている。なお、第1実施形態による発電装置50では、図15に示すように、第1電極7および第2電極8は、プルーフマス4の裏面(下面)側のほぼ全面に形成されている。   Here, in the first embodiment, as shown in FIG. 15, two electrodes (first electrode 7 and second electrode 8) are adjacent to each other in the same plane on the back surface side (lower surface side) of the proof mass 4. It is formed to fit. Specifically, the first electrode 7 and the second electrode 8 are each formed in a comb-like shape in plan view, and the comb-tooth portion 7a of the first electrode 7 and the comb of the second electrode 8 are formed. It is comprised so that the tooth part 8a may be arranged by turns. Further, as shown in FIGS. 16 and 17, the width w of the comb tooth portion 7a of the first electrode 7 and the width w of the comb tooth portion 8a of the second electrode 8 are each configured to be about 5 μm, The length g from the comb tooth portion 7a of the first electrode 7 to the comb tooth portion 8a of the adjacent second electrode 8 is also configured to be about 5 μm. In the power generation device 50 according to the first embodiment, as shown in FIG. 15, the first electrode 7 and the second electrode 8 are formed on almost the entire back surface (lower surface) side of the proof mass 4.

上記の第1電極7は、対向電極に相当するものであり、アルミニウムなどの金属素材から成る(図3A〜図3C及び図4の符号B4、並びに、図8Dの符号E10を参照)。また、上記の第2電極8は、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分(CYTOPフィルムなど)と、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分(アルミニウムなど)とを重ね合わせた構造とされている(図3A〜図3Cや図4の符号B2及びB3、図8Cの符号E9、並びに、図8Eの符号E12を参照)。   Said 1st electrode 7 is corresponded to a counter electrode, and consists of metal materials, such as aluminum (refer code | symbol B4 of FIG. 3A-3C and FIG. 4, and code | symbol E10 of FIG. 8D). The second electrode 8 includes an electret part (such as a CYTOP film) that holds a predetermined amount of charge semipermanently and a base electrode part (such as aluminum) that serves as a reference for potential during power generation. (See reference numerals B2 and B3 in FIGS. 3A to 3C and FIG. 4, reference numeral E9 in FIG. 8C, and reference numeral E12 in FIG. 8E).

また、プルーフマス4は、図11および図13に示すように、一体的に連結された4つの梁部9を含んでいる。この4つの梁部9は、プルーフマス4の4つの角部の各々に1つずつ配置されており、平面的に見て、放射状に広がるように形成されている。また、4つの梁部9の端部は、それぞれ、枠体部3と一体的に連結されている。これにより、プルーフマス4は、図11および図12に示すように、強誘電体層2と対向するように配置された状態で、強誘電体層2の上方に支持されている。なお、強誘電体層2の上面からプルーフマス4(第1電極7および第2電極8)までの距離d(図12および図16参照)は、約1μmである。   The proof mass 4 includes four beam portions 9 that are integrally connected as shown in FIGS. 11 and 13. The four beam portions 9 are arranged one by one at each of the four corner portions of the proof mass 4, and are formed so as to spread radially when viewed in a plan view. Further, the end portions of the four beam portions 9 are integrally connected to the frame body portion 3, respectively. Thus, the proof mass 4 is supported above the ferroelectric layer 2 in a state of being disposed so as to face the ferroelectric layer 2 as shown in FIGS. 11 and 12. A distance d (see FIGS. 12 and 16) from the upper surface of the ferroelectric layer 2 to the proof mass 4 (first electrode 7 and second electrode 8) is about 1 μm.

また、4つの梁部9は、それぞれ、約5μmの厚みを有しているとともに、約50μmの幅を有している。すなわち、4つの梁部9は、セラミック基板1の上面に対して垂直方向(矢印Z方向)に弾性変形し易くなるように、幅方向の長さが厚み方向の長さよりも大きく構成されている。これにより、4つの梁部9によって支持されたプルーフマス4は、加速度が加わると、その慣性力によって、セラミック基板1の上面に対して垂直方向(矢印Z方向)に移動することが可能に構成されている。   Each of the four beam portions 9 has a thickness of about 5 μm and a width of about 50 μm. That is, the four beam portions 9 are configured such that the length in the width direction is larger than the length in the thickness direction so that the four beam portions 9 are easily elastically deformed in the vertical direction (arrow Z direction) with respect to the upper surface of the ceramic substrate 1. . Accordingly, the proof mass 4 supported by the four beam portions 9 is configured to be able to move in the vertical direction (arrow Z direction) with respect to the upper surface of the ceramic substrate 1 by the inertia force when acceleration is applied. Has been.

また、上述した第1電極7は、図15に示す通り、接続部7bを介して、パッド電極7cに電気的に接続されている。一方、上述した第2電極8のうち、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分は、電気的に絶縁された状態とされており、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分は、接続部8bを介して、パッド電極8cに電気的に接続されている。なお、パッド電極7cは、発電によって得られた電流を引き出すための電極であり、発電装置50の使用時には、電流供給先である負荷に接続される。一方、パッド電極8cは、発電時における電位の基準をとるための電極であり、発電装置50の使用時には、所定の基準電位に接続される。また、本図では明示されていないが、本実施形態の発電装置50には、発電装置50の製造工程(最終段階)において、第2電極8のエレクトレット部分に所定量の電荷を接触式放電で注入するためのエレクトレット端子が設けられている。なお、エレクトレット端子は、上記の電荷注入時には、所定の接触式放電装置(高電圧印加装置)に接続され、発電装置50の使用時には、オープンまたは接地される。   In addition, the first electrode 7 described above is electrically connected to the pad electrode 7c through the connecting portion 7b as shown in FIG. On the other hand, of the second electrode 8 described above, the electret part that holds a predetermined amount of charge semi-permanently is in an electrically insulated state, and is a base electrode part for taking a potential reference during power generation Are electrically connected to the pad electrode 8c through the connection portion 8b. The pad electrode 7c is an electrode for extracting a current obtained by power generation, and is connected to a load that is a current supply destination when the power generation device 50 is used. On the other hand, the pad electrode 8c is an electrode for taking a potential reference during power generation, and is connected to a predetermined reference potential when the power generation apparatus 50 is used. Although not explicitly shown in the drawing, the power generation device 50 of the present embodiment applies a predetermined amount of electric charge to the electret portion of the second electrode 8 by contact discharge in the manufacturing process (final stage) of the power generation device 50. An electret terminal for injection is provided. The electret terminal is connected to a predetermined contact type discharge device (high voltage application device) at the time of the above charge injection, and is opened or grounded when the power generation device 50 is used.

また、枠体部3は、図12に示すように、プルーフマス4よりも大きい厚みを有しており、図11〜図13に示すように、梁部9を介して、プルーフマス4を保持する機能を有している。なお、枠体部3は、主として、パリレンから構成されている。また、枠体部3の所定領域には、パッド電極7cおよび8cの表面を露出させるための開口部3aが形成されている。   Further, the frame body portion 3 has a thickness larger than that of the proof mass 4 as shown in FIG. 12, and holds the proof mass 4 via the beam portion 9 as shown in FIGS. It has a function to do. In addition, the frame part 3 is mainly comprised from parylene. Further, an opening 3a for exposing the surfaces of the pad electrodes 7c and 8c is formed in a predetermined region of the frame 3.

図18は、本発明の第1実施形態による発電装置の動作を説明するための概略断面図である。次に、図15〜図18を参照して、本発明の第1実施形態による発電装置50の動作について説明する。   FIG. 18 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the power generation device according to the first embodiment of the present invention. Next, with reference to FIGS. 15-18, operation | movement of the electric power generating apparatus 50 by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

第1実施形態による発電装置50では、図16および図17に示すように、第1電極7の櫛歯部7aと第2電極8の櫛歯部8aとの間にフリンジ電界(電極間の脇に発生する電界)10が発生している。ここで、フリンジ電界10を発生させる第1電極7および第2電極8が、図15に示したように、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、互いの櫛歯部7aおよび8aが交互に配列されているため、フリンジ電界10は、プルーフマス4の裏面(下面)側のほぼ全面に均一に発生している。一方、図16〜図18に示すように、プルーフマス4と対向する強誘電体層2は、発生したフリンジ電界10の中に配置された状態となっている。   In the power generator 50 according to the first embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, a fringe electric field (a side between the electrodes) is formed between the comb teeth 7 a of the first electrode 7 and the comb teeth 8 a of the second electrode 8. 10) is generated. Here, as shown in FIG. 15, the first electrode 7 and the second electrode 8 that generate the fringe electric field 10 are each formed in a comb-like shape, and the comb-tooth portions 7a and 8a are alternately arranged. Therefore, the fringe electric field 10 is uniformly generated on almost the entire back surface (lower surface) side of the proof mass 4. On the other hand, as shown in FIGS. 16 to 18, the ferroelectric layer 2 facing the proof mass 4 is in a state of being disposed in the generated fringe electric field 10.

この状態から発電装置50に垂直方向(Z方向)の振動が加わると、プルーフマス4に慣性力が働くので、これによって、図18に示すように、プルーフマス4が矢印Z方向に移動する。このため、フリンジ電界10中に占める強誘電体層2の体積の割合が変化するので、2電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化する。上記の容量変化に伴って、所定量の電荷が第1電極7(対向電極)に導入され、これが電流として出力される。   When vibration in the vertical direction (Z direction) is applied to the power generation device 50 from this state, an inertial force acts on the proof mass 4, thereby moving the proof mass 4 in the arrow Z direction as shown in FIG. 18. For this reason, since the proportion of the volume of the ferroelectric layer 2 in the fringe electric field 10 changes, the capacitance value of the capacitor formed between the two electrodes changes. Along with the capacitance change, a predetermined amount of charge is introduced into the first electrode 7 (counter electrode), and this is output as a current.

次に、第1実施形態による発電装置50の効果を確認するために行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。このコンピュータシミュレーションでは、強誘電体層2の厚みt1を種々変化させた場合のカバー率を求めた。   Next, the result of the computer simulation performed to confirm the effect of the power generation device 50 according to the first embodiment will be described. In this computer simulation, the coverage was obtained when the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 was variously changed.

図19は、強誘電体層2の厚みとカバー率との関係を示したグラフである。図19の縦軸は、カバー率(%)を示しており、図19の横軸は、強誘電体層2の厚みt1(μm)を示している。すなわち、図19は、上記した第1実施形態による発電装置50の構成において、強誘電体層2の厚みt1を種々変化させた場合のカバー率の変化を示している。ここで、カバー率は、下記の(4)式によって表される。   FIG. 19 is a graph showing the relationship between the thickness of the ferroelectric layer 2 and the coverage. The vertical axis in FIG. 19 indicates the cover ratio (%), and the horizontal axis in FIG. 19 indicates the thickness t1 (μm) of the ferroelectric layer 2. That is, FIG. 19 shows the change in the cover ratio when the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is variously changed in the configuration of the power generation device 50 according to the first embodiment. Here, the coverage is expressed by the following equation (4).

上記(4)式中、X1は強誘電体層2の領域に入ってくるフリンジ電界10の電気力線の数を示しており、X2は強誘電体層2の領域でターン出来ずに、強誘電体層2の領域の下部から出てしまう電気力線の数を示している。   In the above equation (4), X1 indicates the number of electric lines of force of the fringe electric field 10 entering the region of the ferroelectric layer 2, and X2 cannot be turned in the region of the ferroelectric layer 2 and is strong. The number of lines of electric force that emerge from the lower part of the region of the dielectric layer 2 is shown.

すなわち、カバー率は、強誘電体層2に入ってくる電気力線のうち、どの位の割合の電気力線が強誘電体層2内の領域でターンしているのかを示す数値であり、この値が高いほど、プルーフマス4の変位に応じた静電容量値の変化が大きくなる。なお、電極に加える電圧は、一方を0V(第1電極7または第2電極8)とし、他方を5V(第2電極8または第1電極7)とした。   That is, the coverage is a numerical value indicating how much of the electric lines of force that enter the ferroelectric layer 2 are turning in the region in the ferroelectric layer 2. The higher this value, the greater the change in capacitance value corresponding to the displacement of the proof mass 4. Note that one of the voltages applied to the electrodes was 0 V (first electrode 7 or second electrode 8), and the other was 5 V (second electrode 8 or first electrode 7).

図19に示すように、強誘電体層2の厚みt1を5μm以上に構成することによって、99%以上のカバー率が得られることが判明した。また、強誘電体層2の厚みt1を10μm以上に構成した場合には、ほぼ100%(99.8%以上)のカバー率が得られ、20μm以上に構成した場合には、100%のカバー率が得られることが判明した。なお、強誘電体層2の厚みt1が10μmの場合には、強誘電体層2の厚みt1は、第1電極7および第2電極8の一方の櫛歯部7a(または8a)の幅w(約5μm)と、第1電極7の櫛歯部7aから隣り合う第2電極8の櫛歯部8aまでの長さg(約5μm)との合計長さ(w+g:約10μm)と一致する。また、強誘電体層2の厚みt1が20μmの場合には、強誘電体層2の厚みt1は、上記合計長さ(w+g:約10μm)の2倍(2(w+g))と一致する。   As shown in FIG. 19, it was found that a coverage of 99% or more can be obtained by configuring the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 to be 5 μm or more. Further, when the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is configured to be 10 μm or more, a cover ratio of almost 100% (99.8% or more) is obtained, and when the thickness t1 is configured to be 20 μm or more, a 100% cover is obtained. The rate was found to be obtained. When the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is 10 μm, the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is the width w of one comb tooth portion 7a (or 8a) of the first electrode 7 and the second electrode 8. (About 5 μm) and the total length (w + g: about 10 μm) of the length g (about 5 μm) from the comb tooth portion 7a of the first electrode 7 to the comb tooth portion 8a of the adjacent second electrode 8 . When the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is 20 μm, the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 coincides with twice the total length (w + g: about 10 μm) (2 (w + g)).

以上のように、強誘電体層2の厚みt1を5μm以上に構成することによって、十分なカバー率を得ることができ、プルーフマス4の変位に応じた静電容量値の変化を十分に大きくすることが可能となることが確認された。これにより、発電能力を向上させることが可能となることが確認された。   As described above, by configuring the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 to be 5 μm or more, a sufficient coverage can be obtained, and the change in the capacitance value according to the displacement of the proof mass 4 is sufficiently large. It was confirmed that it would be possible. As a result, it was confirmed that the power generation capacity can be improved.

第1実施形態では、上記のように、プルーフマス4の強誘電体層2側に第1電極7および第2電極8を形成することによって、第1電極7と第2電極8との間にフリンジ電界10を発生させることができる。また、セラミック基板1上の所定領域に、BaTiO3からなる強誘電体層2を形成することによって、BaTiO3は比誘電率が1,000以上の金属酸化物(強誘電体物質)であるため、強誘電体層2の比誘電率を十分に大きくすることができる。このため、フリンジ電界10中に占める強誘電体層2の体積の割合の変化によって生じる静電容量値の変化を大きくすることができるので、発電装置50に加わる振動を高効率で電流に変換することができる。 In the first embodiment, as described above, the first electrode 7 and the second electrode 8 are formed on the ferroelectric layer 2 side of the proof mass 4, so that the first electrode 7 and the second electrode 8 are interposed. A fringe electric field 10 can be generated. Further, by forming the ferroelectric layer 2 made of BaTiO 3 in a predetermined region on the ceramic substrate 1, BaTiO 3 is a metal oxide (ferroelectric material) having a relative dielectric constant of 1,000 or more. The relative dielectric constant of the ferroelectric layer 2 can be made sufficiently large. For this reason, since the change in the capacitance value caused by the change in the volume ratio of the ferroelectric layer 2 in the fringe electric field 10 can be increased, the vibration applied to the power generation device 50 is converted into a current with high efficiency. be able to.

また、第1実施形態では、強誘電体層2をBaTiO3から構成することにより、強誘電体層2とプルーフマス4との間の距離dを大きくした場合でも、静電容量値の変化量の低下を抑制することができるので、強誘電体層2とプルーフマス4との間の距離dを大きくすることによって、スティクションの発生を抑制することができる。これにより、スティクションの発生に起因する信頼性の低下を抑制することができる。なお、BaTiO3はPb(鉛)を含有しない強誘電体物質であるため、強誘電体層2をBaTiO3から構成することによって、廃棄物による環境負荷を低減することができるとともに、人体に与える悪影響を低減することができる。 Further, in the first embodiment, even when the distance d between the ferroelectric layer 2 and the proof mass 4 is increased by forming the ferroelectric layer 2 from BaTiO 3 , the amount of change in the capacitance value is increased. Therefore, the occurrence of stiction can be suppressed by increasing the distance d between the ferroelectric layer 2 and the proof mass 4. Thereby, the fall of the reliability resulting from generation | occurrence | production of stiction can be suppressed. Since BaTiO 3 is a ferroelectric substance that does not contain Pb (lead), the ferroelectric layer 2 is made of BaTiO 3 , thereby reducing the environmental burden caused by waste and giving it to the human body. Adverse effects can be reduced.

また、第1実施形態では、基板にAl23からなるセラミック基板1を用いることにより、基板にシリコン基板などを用いた場合に比べて、絶縁性および機械的強度を向上させることができるので、製造効率を向上させながら、発電能力を向上させることができ、かつ、信頼性を向上させることができる。また、基板にセラミック基板1を用いることによって、シリコン基板を用いた場合に比べて、製造コストを低減することができる。さらに、最終製品のセラミックパッケージ上にMEMS発電装置を直接的に作り込むことが可能となる。 In the first embodiment, since the ceramic substrate 1 made of Al 2 O 3 is used as the substrate, the insulation and mechanical strength can be improved compared to the case where a silicon substrate or the like is used as the substrate. The power generation capacity can be improved while improving the manufacturing efficiency, and the reliability can be improved. Further, by using the ceramic substrate 1 as the substrate, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the silicon substrate is used. Furthermore, the MEMS power generation device can be directly formed on the final ceramic package.

また、第1実施形態では、強誘電体層2の厚みt1を5μm以上に構成することによって、99%以上のカバー率を得ることができるので、静電容量値の変化を大きくすることができる。これにより、製造効率を向上させながら、さらに容易に、発電能力を向上させることができる。なお、強誘電体層2の厚みt1は、10μm以上に構成するのが好ましく、20μm以上に構成するのがより好ましい。   Further, in the first embodiment, by configuring the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 to be 5 μm or more, a coverage of 99% or more can be obtained, so that the change in capacitance value can be increased. . Thereby, the power generation capacity can be improved more easily while improving the production efficiency. Note that the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more.

また、第1実施形態では、セラミック基板1と強誘電体層2との間に、グレーズ層5を形成することによって、強誘電体層2の上面の平滑度を向上させることができるので、BaTiO3の粒径を制御することによって、強誘電体層2の上面に、0.1μm〜0.2μm程度の凹凸を設けることができる。 In the first embodiment, the smoothness of the upper surface of the ferroelectric layer 2 can be improved by forming the glaze layer 5 between the ceramic substrate 1 and the ferroelectric layer 2. By controlling the particle size of 3 , irregularities of about 0.1 μm to 0.2 μm can be provided on the upper surface of the ferroelectric layer 2.

図20〜図28は、本発明の第1実施形態による発電装置の製造方法を説明するための図である。続いて、図11、図15、図16および図20〜図28を参照して、本発明の第1実施形態による発電装置50の製造方法について説明する。なお、第1実施形態による発電装置50は、主として、表面マイクロマシニング技術を用いて製造する。   20 to 28 are views for explaining a method of manufacturing the power generation device according to the first embodiment of the present invention. Next, a method for manufacturing the power generation device 50 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11, 15, 16, and 20 to 28. In addition, the electric power generating apparatus 50 by 1st Embodiment is manufactured mainly using a surface micromachining technique.

まず、図20に示すように、約1mmの厚みを有するとともにAl23からなるセラミック基板1の上面上に、グレーズ層5を形成する。このグレーズ層5は、たとえば、ガラス成分を含んだ液体をセラミック基板1上に印刷した後、所定温度で焼成することによって形成する。 First, as shown in FIG. 20, the glaze layer 5 is formed on the upper surface of the ceramic substrate 1 having a thickness of about 1 mm and made of Al 2 O 3 . The glaze layer 5 is formed, for example, by printing a liquid containing a glass component on the ceramic substrate 1 and then baking it at a predetermined temperature.

次に、スクリーン印刷法を用いて、グレーズ層5上に、図11に示した配線層6を形成する。その後、図20に示すように、セラミック基板1(グレーズ層5)上の所定領域に強誘電体層2を形成する。   Next, the wiring layer 6 shown in FIG. 11 is formed on the glaze layer 5 using a screen printing method. Thereafter, as shown in FIG. 20, a ferroelectric layer 2 is formed in a predetermined region on the ceramic substrate 1 (glaze layer 5).

ここで、第1実施形態では、強誘電体層2は、スクリーン印刷法を用いて形成する。具体的には、グレーズ層5上の所定領域に、BaTiO3を含むペーストを印刷した後、800℃〜1200℃程度の焼成温度で焼成することにより、BaTiO3からなる強誘電体層2を形成する。 Here, in the first embodiment, the ferroelectric layer 2 is formed using a screen printing method. Specifically, after a paste containing BaTiO 3 is printed in a predetermined region on the glaze layer 5, the ferroelectric layer 2 made of BaTiO 3 is formed by firing at a firing temperature of about 800 ° C. to 1200 ° C. To do.

また、第1実施形態では、強誘電体層2は、その厚みt1(図16参照)が5μm〜20μmとなるように形成されるとともに、BaTiO3の粒径を制御することによって、強誘電体層2の上面に0.1μm〜0.2μm程度の凹凸(図示せず)が生じるように形成される。 In the first embodiment, the ferroelectric layer 2 is formed so that its thickness t1 (see FIG. 16) is 5 μm to 20 μm, and by controlling the grain size of BaTiO 3 , the ferroelectric layer 2 The upper surface of the layer 2 is formed so as to have irregularities (not shown) of about 0.1 μm to 0.2 μm.

続いて、図21に示すように、プラズマCVD法を用いて、グレーズ層5上に、アモルファスシリコンからなる犠牲層11を、強誘電体層2を覆うように形成する。ここで、犠牲層11とは、後工程で除去することを前提に形成する層のことである。   Subsequently, as shown in FIG. 21, a sacrificial layer 11 made of amorphous silicon is formed on the glaze layer 5 so as to cover the ferroelectric layer 2 by using a plasma CVD method. Here, the sacrificial layer 11 is a layer formed on the assumption that it will be removed in a later step.

次に、図22に示すように、フォトリソグラフィ技術とSF6プラズマガスを用いたドライエッチングとにより、犠牲層11に細長状の溝部(スロット)11aを形成する。その後、図23に示すように、犠牲層11の上面上に、第1のパリレン層12を蒸着する。この際、溝部11a内に蒸着された第1のパリレン層12は、プルーフマス4を保持するためのアンカー部となる。 Next, as shown in FIG. 22, an elongated groove (slot) 11a is formed in the sacrificial layer 11 by photolithography and dry etching using SF 6 plasma gas. Thereafter, as shown in FIG. 23, a first parylene layer 12 is deposited on the upper surface of the sacrificial layer 11. At this time, the first parylene layer 12 deposited in the groove portion 11 a serves as an anchor portion for holding the proof mass 4.

次に、図24に示すように、フォトリソグラフィ技術とO2プラズマガスを用いたエッチングとにより、第1のパリレン層12の所定領域を除去する。 Next, as shown in FIG. 24, a predetermined region of the first parylene layer 12 is removed by photolithography and etching using O 2 plasma gas.

その後、犠牲層11上および第1のパリレン層12上に、スパッタリングまたは蒸着法により、アルミニウム層を堆積するとともに、図25に示すように、堆積したアルミニウム層を、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチングとを用いてパターニングする。これにより、図15に示したような櫛歯状の第1電極7が形成されるとともに、第1電極7に電気的に接続されるパッド電極7cが形成される。なお、第1電極7とパッド電極7cとを接続する接続部7b(図15参照)も、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。   Thereafter, an aluminum layer is deposited on the sacrificial layer 11 and the first parylene layer 12 by sputtering or vapor deposition, and the deposited aluminum layer is subjected to photolithography and wet etching as shown in FIG. Pattern. Thereby, the comb-shaped first electrode 7 as shown in FIG. 15 is formed, and the pad electrode 7 c electrically connected to the first electrode 7 is formed. In addition, the connection part 7b (refer FIG. 15) which connects the 1st electrode 7 and the pad electrode 7c is simultaneously formed by the above-mentioned patterning of the aluminum layer.

また、犠牲層11上には、スピンコーティングによってCYTOPフィルムが形成された後、これがO2プラズマでエッチングされる。このような工程により、第2電極8のエレクトレット部分が櫛歯状に形成される。 Further, a CYTOP film is formed on the sacrificial layer 11 by spin coating, and is then etched with O 2 plasma. By such a process, the electret part of the second electrode 8 is formed in a comb shape.

その後、第1電極7、第2電極8のエレクトレット部分、パッド電極7c、接続部7b(図15参照)を覆うように、犠牲層11上および第1のパリレン層12上に、放電防止用のパリレン(図25及び図26では図示が省略されているが、その詳細については、図8Eの符号E11を参照)が堆積され、その上に、第2電極8のベース電極部分、及び、これに接続されるパッド電極8cとしてのアルミニウムがスパッタリングされる。なお、第2電極8のベース電極部分とパッド電極8cとを接続する接続部8b(図15参照)についても、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。   Thereafter, on the sacrificial layer 11 and the first parylene layer 12 so as to cover the electret portions of the first electrode 7 and the second electrode 8, the pad electrode 7c, and the connection portion 7b (see FIG. 15), a discharge preventing layer is formed. Parylene (not shown in FIG. 25 and FIG. 26, but for details, see E11 in FIG. 8E) is deposited, and on top of this, the base electrode portion of the second electrode 8, and Aluminum as the pad electrode 8c to be connected is sputtered. Note that the connection portion 8b (see FIG. 15) for connecting the base electrode portion of the second electrode 8 and the pad electrode 8c is also formed simultaneously by the above-described patterning of the aluminum layer.

次に、図26に示すように、第2電極8のベース電極部分、パッド電極8c、接続部8b(図15参照)を覆うように、第2のパリレン層13を蒸着する。そして、第2のパリレン層13を図27に示した形状にパターニングする。これにより、パリレンからなるプルーフマス4(図11参照)、梁部9(図11参照)、および、枠体部3(図11参照)が形成される。この際、図27および図28に示すように、枠体部3の所定領域に、パッド電極7cおよび8cの表面を露出させるための開口部3aを形成する。なお、第1のパリレン層12および第2のパリレン層13は、室温で形成(蒸着)可能である。   Next, as shown in FIG. 26, the second parylene layer 13 is deposited so as to cover the base electrode portion of the second electrode 8, the pad electrode 8c, and the connection portion 8b (see FIG. 15). Then, the second parylene layer 13 is patterned into the shape shown in FIG. Thereby, the proof mass 4 (refer FIG. 11) which consists of parylene, the beam part 9 (refer FIG. 11), and the frame part 3 (refer FIG. 11) are formed. At this time, as shown in FIG. 27 and FIG. 28, an opening 3 a for exposing the surface of the pad electrodes 7 c and 8 c is formed in a predetermined region of the frame 3. Note that the first parylene layer 12 and the second parylene layer 13 can be formed (evaporated) at room temperature.

最後に、XeF2ガスを用いたドライエッチングにより、犠牲層11の所定領域を除去することによって、プルーフマス4と強誘電体層2とを離間させる。このようにして、図11に示した本発明の第1実施形態による発電装置50が形成される。 Finally, the proof mass 4 and the ferroelectric layer 2 are separated from each other by removing a predetermined region of the sacrificial layer 11 by dry etching using XeF 2 gas. Thus, the power generator 50 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 11 is formed.

第1実施形態の製造方法では、上記のように、セラミック基板1上の所定領域に、スクリーン印刷法を用いてBaTiO3からなる強誘電体層2を形成することによって、強誘電体層2を所定の領域に容易に形成することができるので、板状の強誘電体層を基板上に貼り付ける場合などと比べて、製造効率を向上させることができる。なお、第1実施形態による発電装置50では、DRIEプロセスを用いることなく製造することができる。 In the manufacturing method according to the first embodiment, as described above, the ferroelectric layer 2 made of BaTiO 3 is formed in a predetermined region on the ceramic substrate 1 by using the screen printing method. Since it can be easily formed in a predetermined region, the manufacturing efficiency can be improved as compared with the case where a plate-like ferroelectric layer is stuck on the substrate. Note that the power generation device 50 according to the first embodiment can be manufactured without using the DRIE process.

また、第1実施形態では、スクリーン印刷法を用いてBaTiO3からなる強誘電体層2を形成することによって、スパッタ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体層2を形成する場合に比べて、容易に、強誘電体層2の厚みt1を大きくすることができるので、強誘電体層2の厚みt1が小さいことに起因して、静電容量値の変化を大きくすることが困難になるという不都合が発生するのを抑制することができる。これにより、製造効率を向上させながら、発電能力の高い発電装置50を得ることができる。 Further, in the first embodiment, the ferroelectric layer 2 made of BaTiO 3 is formed by using a screen printing method, compared with the case where the ferroelectric layer 2 is formed by using a sputtering method or a sol-gel method. Since the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 can be easily increased, it is difficult to increase the change in the capacitance value because the thickness t1 of the ferroelectric layer 2 is small. It is possible to suppress the occurrence of the inconvenience. Thereby, the power generation device 50 with high power generation capability can be obtained while improving the manufacturing efficiency.

また、第1実施形態では、セラミック基板1(グレーズ層5)の上面上に、スクリーン印刷法を用いて配線層6を形成することによって、容易に、配線層6を形成することができるので、これによっても、製造効率を向上させることができる。   In the first embodiment, the wiring layer 6 can be easily formed by forming the wiring layer 6 on the upper surface of the ceramic substrate 1 (the glaze layer 5) using a screen printing method. Also by this, manufacturing efficiency can be improved.

(第2実施形態)
図29は、本発明の第2実施形態による発電装置の構造を示した斜視図である。図30は、図29のα2−α2線に沿った断面図である。図31は、図29に示した本発明の第2実施形態による発電装置の平面図である。図32〜図35は、本発明の第2実施形態による発電装置の構造を説明するための図である。まず、図29〜図35を参照して、本発明の第2実施形態による発電装置60の構造について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 29 is a perspective view showing the structure of the power generation device according to the second embodiment of the present invention. 30 is a cross-sectional view taken along the line α2-α2 of FIG. FIG. 31 is a plan view of the power generator according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 32 to 35 are views for explaining the structure of the power generation device according to the second embodiment of the present invention. First, with reference to FIGS. 29-35, the structure of the electric power generating apparatus 60 by 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

第2実施形態による発電装置60は、図29および図30に示すように、セラミック基板1と、セラミック基板1上に形成された強誘電体層22と、強誘電体層22を囲むようにセラミック基板1上に形成された枠体部23と、枠体部23の内側に配置されたプルーフマス24とを備えている。なお、強誘電体層22は、本発明の「誘電体層」の一例であり、プルーフマス24は、本発明の「可動部」の一例である。   As shown in FIGS. 29 and 30, the power generation device 60 according to the second embodiment includes a ceramic substrate 1, a ferroelectric layer 22 formed on the ceramic substrate 1, and a ceramic so as to surround the ferroelectric layer 22. A frame body portion 23 formed on the substrate 1 and a proof mass 24 disposed inside the frame body portion 23 are provided. The ferroelectric layer 22 is an example of the “dielectric layer” in the present invention, and the proof mass 24 is an example of the “movable part” in the present invention.

セラミック基板1は、Al23から構成されているとともに、約1mmの厚みを有している。このセラミック基板1の上面上には、上記第1実施形態と同様、グレーズ層5が形成されている。なお、グレーズ層5は、強誘電体層22などを形成するのに適した平滑面を得るために設けられている。また、図29に示すように、セラミック基板1(グレーズ層5)の上面上であるとともに、枠体部23の外側の所定領域には、スクリーン印刷法によって形成された配線層6が設けられている。この配線層6は、たとえば、Au(金)などから構成されている。 The ceramic substrate 1 is made of Al 2 O 3 and has a thickness of about 1 mm. A glaze layer 5 is formed on the upper surface of the ceramic substrate 1 as in the first embodiment. The glaze layer 5 is provided for obtaining a smooth surface suitable for forming the ferroelectric layer 22 and the like. Further, as shown in FIG. 29, a wiring layer 6 formed by screen printing is provided on a predetermined region outside the frame body portion 23 on the upper surface of the ceramic substrate 1 (glaze layer 5). Yes. The wiring layer 6 is made of, for example, Au (gold).

ここで、第2実施形態では、上記の第1実施形態と同様、強誘電体層22は、BaTiO3(比誘電率:1,000以上)から構成されている。また、強誘電体層22は、図30および図32に示すように、セラミック基板1(グレーズ層5)上の所定領域に、スクリーン印刷法によって形成されている。この強誘電体層22は、平面的に見て、実質的に四角形状を有している。 Here, in the second embodiment, the ferroelectric layer 22 is made of BaTiO 3 (relative dielectric constant: 1,000 or more), as in the first embodiment. Further, as shown in FIGS. 30 and 32, the ferroelectric layer 22 is formed in a predetermined region on the ceramic substrate 1 (the glaze layer 5) by a screen printing method. The ferroelectric layer 22 has a substantially quadrangular shape when seen in a plan view.

また、強誘電体層22は、5μm以上の厚みに構成されている。具体的には、強誘電体層22は、5μm〜20μmの厚みt11(図35参照)に構成されている。   The ferroelectric layer 22 is configured to have a thickness of 5 μm or more. Specifically, the ferroelectric layer 22 is configured to have a thickness t11 (see FIG. 35) of 5 μm to 20 μm.

また、第2実施形態では、図30および図32に示すように、強誘電体層22の上面側の所定領域に、アルミニウム(Al)からなるメタル層40(フローティング電極)が形成されている。このメタル層40は、所定のパターンに構成されており、強誘電体層22の上面から突出しないように形成されている。具体的には、メタル層40は、平面的に見て、後述する第1電極27および第2電極28のそれぞれの櫛歯部27aおよび28aに対して平行に延びるように形成されている。また、メタル層40は、その上面が強誘電体層22の上面と実質的に同一面となるように形成されている。   In the second embodiment, as shown in FIGS. 30 and 32, a metal layer 40 (floating electrode) made of aluminum (Al) is formed in a predetermined region on the upper surface side of the ferroelectric layer 22. The metal layer 40 has a predetermined pattern and is formed so as not to protrude from the upper surface of the ferroelectric layer 22. Specifically, the metal layer 40 is formed so as to extend in parallel with the comb teeth portions 27a and 28a of the first electrode 27 and the second electrode 28, which will be described later, in plan view. The metal layer 40 is formed so that the upper surface thereof is substantially flush with the upper surface of the ferroelectric layer 22.

また、プルーフマス24は、パリレン(Parylen:パラキシリレン系樹脂)から構成されているとともに、図30および図35に示すように、約5μmの厚みt12(図34参照)に構成されている。また、プルーフマス24は、図31に示すように、平面的に見て、実質的に四角形状(一辺の長さが約1000μm)に形成されている。   Further, the proof mass 24 is made of parylene (Parylylene resin) and has a thickness t12 (see FIG. 34) of about 5 μm, as shown in FIGS. Further, as shown in FIG. 31, the proof mass 24 is formed in a substantially quadrangular shape (the length of one side is about 1000 μm) when seen in a plan view.

また、第2実施形態では、図33に示すように、プルーフマス24の裏面側(下面側)には、2つの電極(第1電極27および第2電極28)が、同一平面内に隣り合うように形成されている。具体的には、第1電極27および第2電極28は、平面的に見て、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、第1電極27の櫛歯部27aと第2電極28の櫛歯部28aとが交互に配列されるように構成されている。また、図35に示すように、第1電極27の櫛歯部27aの幅w1および第2電極28の櫛歯部28aの幅w1は、それぞれ、約5μmの長さに構成されているとともに、第1電極27の櫛歯部27aから隣り合う第2電極28の櫛歯部28aまでの長さg1は約5μmに構成されている。なお、第2実施形態による発電装置60では、図33に示すように、第1電極27および第2電極28は、プルーフマス24の裏面(下面)側のほぼ全面に形成されている。   Moreover, in 2nd Embodiment, as shown in FIG. 33, two electrodes (the 1st electrode 27 and the 2nd electrode 28) adjoin on the back surface side (lower surface side) of the proof mass 24 in the same plane. It is formed as follows. Specifically, the first electrode 27 and the second electrode 28 are each formed in a comb-like shape in plan view, and the comb-tooth portion 27a of the first electrode 27 and the comb of the second electrode 28 are formed. It is comprised so that the tooth part 28a may be arranged by turns. Further, as shown in FIG. 35, the width w1 of the comb tooth portion 27a of the first electrode 27 and the width w1 of the comb tooth portion 28a of the second electrode 28 are each configured to have a length of about 5 μm, A length g1 from the comb tooth portion 27a of the first electrode 27 to the comb tooth portion 28a of the adjacent second electrode 28 is set to about 5 μm. In the power generator 60 according to the second embodiment, as shown in FIG. 33, the first electrode 27 and the second electrode 28 are formed on almost the entire back surface (lower surface) side of the proof mass 24.

上記の第1電極27は、対向電極に相当するものであり、アルミニウムなどの金属素材から成る(図3A〜図3C及び図4の符号B4、及び、図8Dの符号E10を参照)。また、上記の第2電極28は、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分(CYTOPフィルムなど)と、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分(アルミニウムなど)とを重ね合わせた構造とされている(図3A〜図3Cや図4の符号B2及びB3、図8Cの符号E9、並びに、図8Eの符号E12を参照)。   The first electrode 27 corresponds to a counter electrode, and is made of a metal material such as aluminum (see FIGS. 3A to 3C, B4 in FIG. 4, and E10 in FIG. 8D). In addition, the second electrode 28 includes an electret portion (such as a CYTOP film) that holds a predetermined amount of charge semipermanently and a base electrode portion (such as aluminum) that serves as a reference for potential during power generation. (See reference numerals B2 and B3 in FIGS. 3A to 3C and FIG. 4, reference numeral E9 in FIG. 8C, and reference numeral E12 in FIG. 8E).

また、プルーフマス24は、図29および図31に示すように、一体的に連結された4つの梁部29を含んでいる。この4つの梁部29は、プルーフマス24の互いに対向する2つの側面に、それぞれ、2つずつ配置されており、平面的に見て、同一方向に延びるように形成されている。また、4つの梁部29の端部は、それぞれ、枠体部23と一体的に連結されている。これにより、プルーフマス24は、図29および図30に示すように、強誘電体層22と対向するように配置された状態で、強誘電体層22の上方に支持されている。なお、強誘電体層22の上面からプルーフマス24(第1電極27および第2電極28)までの距離d1(図30および図35参照)は、約1μmである。   The proof mass 24 includes four beam portions 29 that are integrally connected as shown in FIGS. 29 and 31. Two of these four beam portions 29 are arranged on each of two opposing side surfaces of the proof mass 24, and are formed so as to extend in the same direction when seen in a plan view. Further, the end portions of the four beam portions 29 are integrally connected to the frame body portion 23, respectively. Thus, the proof mass 24 is supported above the ferroelectric layer 22 in a state of being disposed so as to face the ferroelectric layer 22 as shown in FIGS. 29 and 30. The distance d1 (see FIGS. 30 and 35) from the upper surface of the ferroelectric layer 22 to the proof mass 24 (first electrode 27 and second electrode 28) is about 1 μm.

また、第2実施形態では、図34に示すように、梁部29は、10μm以上の厚みt12を有しているとともに、約3μmの幅w11を有している。すなわち、梁部29は、セラミック基板1(図29参照)の上面(主面)に対して平行な矢印X方向に弾性変形し易くなるように、厚み方向の長さが、幅方向の長さよりも大きく構成されている。これにより、4つの梁部29によって支持されたプルーフマス24は、加速度が加わると、その慣性力によって、セラミック基板1の上面(主面)に対して水平な矢印X方向に移動することが可能となる。   In the second embodiment, as shown in FIG. 34, the beam portion 29 has a thickness t12 of 10 μm or more and a width w11 of about 3 μm. That is, the length in the thickness direction of the beam portion 29 is larger than the length in the width direction so that the beam portion 29 is easily elastically deformed in the arrow X direction parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (see FIG. 29). Is also made up of large. Thus, when acceleration is applied, the proof mass 24 supported by the four beam portions 29 can move in the direction of the arrow X that is horizontal with respect to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 due to its inertial force. It becomes.

また、上述した第1電極27は、図33に示すように、接続部27bを介して、パッド電極27cに電気的に接続されている。一方、上述した第2電極28のうち、所定量の電荷を半永久的に保持するエレクトレット部分は、電気的に絶縁された状態とされており、発電時における電位の基準をとるためのベース電極部分は、接続部28bを介して、パッド電極28cに電気的に接続されている。なお、パッド電極27cは、発電によって得られた電流を引き出すための電極であり、発電装置60の使用時には、電流供給先である負荷に接続される。一方、パッド電極28cは、発電時における電位の基準をとるための電極であり、発電装置60の使用時には所定の基準電位に接続される。また、本図では明示されていないが、本実施形態の発電装置60には、発電装置60の製造工程(最終段階)において、第2電極28のエレクトレット部分に所定量の電荷を接触式放電で注入するためのエレクトレット端子が設けられている。なお、エレクトレット端子は、上記の電荷注入時には、所定の接触式放電装置(高電圧印加装置)に接続され、発電装置60の使用時には、オープンまたは接地される。   In addition, as shown in FIG. 33, the first electrode 27 described above is electrically connected to the pad electrode 27c via the connecting portion 27b. On the other hand, of the second electrode 28 described above, the electret portion that holds a predetermined amount of charge semi-permanently is in an electrically insulated state, and a base electrode portion for taking a potential reference during power generation Is electrically connected to the pad electrode 28c through the connection portion 28b. Note that the pad electrode 27c is an electrode for extracting a current obtained by power generation, and is connected to a load that is a current supply destination when the power generation device 60 is used. On the other hand, the pad electrode 28c is an electrode for taking a potential reference during power generation, and is connected to a predetermined reference potential when the power generation apparatus 60 is used. Although not explicitly shown in the drawing, the power generation device 60 of the present embodiment applies a predetermined amount of electric charge to the electret portion of the second electrode 28 by contact discharge in the manufacturing process (final stage) of the power generation device 60. An electret terminal for injection is provided. The electret terminal is connected to a predetermined contact discharge device (high voltage application device) at the time of the above charge injection, and is opened or grounded when the power generation device 60 is used.

また、枠体部23は、図30に示すように、プルーフマス24よりも大きい厚みを有しており、図29および図31に示すように、梁部29を介して、プルーフマス24を保持する機能を有している。なお、枠体部23は、主として、パリレンから構成されている。また、枠体部23の所定領域には、パッド電極27cおよび28cの表面を露出させるための開口部23aが形成されている。   Further, as shown in FIG. 30, the frame body portion 23 has a larger thickness than the proof mass 24, and holds the proof mass 24 via the beam portion 29 as shown in FIGS. 29 and 31. It has a function to do. The frame part 23 is mainly composed of parylene. Further, an opening 23a for exposing the surfaces of the pad electrodes 27c and 28c is formed in a predetermined region of the frame body portion 23.

第2実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。   Other configurations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.

図36は、本発明の第2実施形態による発電装置の動作を説明するための図である。次に、図33、図35および図36を参照して、本発明の第2実施形態による発電装置60の動作について説明する。   FIG. 36 is a diagram for explaining the operation of the power generation device according to the second embodiment of the present invention. Next, the operation of the power generation device 60 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 33, 35, and 36.

第2実施形態による発電装置60では、図35および図36に示すように、第1電極27の櫛歯部27aと第2電極28の櫛歯部28aとの間にフリンジ電界10(電極間の脇に発生する電界)が発生している。ここで、フリンジ電界10を発生させる第1電極27および第2電極28が、図33に示すように、それぞれ、櫛歯状に形成されているとともに、互いの櫛歯部27aおよび28aが交互に配列されているため、フリンジ電界10はプルーフマス24の裏面(下面)側のほぼ全面に均一に発生している。一方、プルーフマス24と対向する強誘電体層22は、発生したフリンジ電界10の中に配置された状態となっている。   In the power generator 60 according to the second embodiment, as shown in FIGS. 35 and 36, the fringe electric field 10 (between the electrodes) is provided between the comb teeth 27 a of the first electrode 27 and the comb teeth 28 a of the second electrode 28. An electric field is generated on the side. Here, as shown in FIG. 33, the first electrode 27 and the second electrode 28 that generate the fringe electric field 10 are formed in a comb-teeth shape, and the comb-teeth portions 27a and 28a are alternately arranged. Since they are arranged, the fringe electric field 10 is uniformly generated on almost the entire back surface (lower surface) side of the proof mass 24. On the other hand, the ferroelectric layer 22 facing the proof mass 24 is in a state of being disposed in the generated fringe electric field 10.

この状態から発電装置60に水平方向(X方向)の振動が加わると、プルーフマス24に慣性力が働くので、これによって、プルーフマス24が、セラミック基板1の上面に対して水平方向である矢印X方向に移動する。ここで、第1電極27と第2電極28との間に発生しているフリンジ電界10では、その電気力線は強誘電体層22を貫くことが可能である一方、メタル層40を貫くことができないので、プルーフマス24が矢印X方向に移動することによって、電気力線の様相が変化し、この電気力線の様相の変化に応じて、2電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化する。上記の容量変化に伴って、所定量の電荷が第1電極27(対向電極)に導入され、これが電流として出力される。   If a vibration in the horizontal direction (X direction) is applied to the power generation device 60 from this state, an inertial force acts on the proof mass 24, so that the proof mass 24 is in the horizontal direction with respect to the upper surface of the ceramic substrate 1. Move in the X direction. Here, in the fringe electric field 10 generated between the first electrode 27 and the second electrode 28, the electric lines of force can penetrate the ferroelectric layer 22, while penetrating the metal layer 40. Therefore, when the proof mass 24 moves in the direction of the arrow X, the appearance of the electric lines of force changes, and the capacitance of the capacitor formed between the two electrodes according to the change of the appearance of the electric lines of force. The value changes. Along with the capacitance change, a predetermined amount of charge is introduced into the first electrode 27 (counter electrode), and this is output as a current.

次に、第2実施形態による発電装置60の効果を確認するために、上記第1実施形態と同様の方法を用いてコンピュータシミュレーションを行った。その結果を図37に示す。   Next, in order to confirm the effect of the power generation device 60 according to the second embodiment, a computer simulation was performed using the same method as in the first embodiment. The result is shown in FIG.

図37に示すように、強誘電体層22の厚みt11を5μm以上に構成することによって、99%以上のカバー率が得られることが判明した。また、強誘電体層22の厚みt11を10μm以上に構成した場合には、ほぼ100%(99.8%以上)のカバー率が得られ、20μm以上に構成した場合には100%のカバー率が得られることが判明した。なお、強誘電体層22の厚みt11が10μmの場合には、強誘電体層22の厚みt11は、第1電極27及び第2電極28の一方の櫛歯部27a(または28a)の幅w1(約5μm)と、第1電極27の櫛歯部27aから隣り合う第2電極28の櫛歯部28aまでの長さg1(約5μm)との合計長さ(w1+g1:約10μm)と一致する。また、強誘電体層22の厚みt11が20μmの場合には、強誘電体層22の厚みt11は、上記合計長さ(w1+g1:約10μm)の2倍(2(w1+g1))と一致する。   As shown in FIG. 37, it was found that a coverage of 99% or more can be obtained by configuring the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 to be 5 μm or more. Further, when the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 is configured to be 10 μm or more, a coverage of almost 100% (99.8% or more) is obtained, and when the thickness t11 is configured to be 20 μm or more, the coverage is 100%. Was found to be obtained. When the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 is 10 μm, the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 is the width w1 of one comb tooth portion 27a (or 28a) of the first electrode 27 and the second electrode 28. (About 5 μm) and the total length (w1 + g1: about 10 μm) of the length g1 (about 5 μm) from the comb tooth portion 27a of the first electrode 27 to the comb tooth portion 28a of the adjacent second electrode 28 . When the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 is 20 μm, the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 is equal to twice the total length (w1 + g1: about 10 μm) (2 (w1 + g1)).

以上のように、強誘電体層22の厚みt11を5μm以上に構成することによって、十分なカバー率を得ることができ、プルーフマス24の変位に応じた静電容量値の変化を十分に大きくすることが可能となることが確認された。これにより、発電能力を向上させることが可能となることが確認された。   As described above, by configuring the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 to be 5 μm or more, a sufficient coverage can be obtained, and the change in the capacitance value according to the displacement of the proof mass 24 is sufficiently large. It was confirmed that it would be possible. As a result, it was confirmed that the power generation capacity can be improved.

第2実施形態では、上記のように、プルーフマス24の強誘電体層22側に第1電極27および第2電極28を形成することによって、第1電極27の櫛歯部27aと第2電極28の櫛歯部28aとの間にフリンジ電界10を発生させることができる。また、強誘電体層22の上面側の所定領域に、所定のパターンでメタル層40を形成することにより、プルーフマス24がセラミック基板1の上面(主面)と平行な矢印X方向に移動した場合でも、フリンジ電界10における電気力線の様相を変化させることができる。すなわち、第1電極27の櫛歯部27aと第2電極28の櫛歯部28aとの間に発生するフリンジ電界10では、その電気力線は強誘電体層22を貫くことが可能である一方、メタル層40を貫くことができないので、強誘電体層22の上面側の所定領域に、所定のパターンでメタル層40を形成することにより、プルーフマス24が矢印X方向に移動した際に、フリンジ電界10における電気力線の様相を変化させることができる。これにより、電気力線の様相の変化に応じて、2電極間に形成されるキャパシタの静電容量値が変化するので、その静電容量値の変化に伴って、所定量の電荷が第1電極27(対向電極)に導入され、これが電流として出力される。   In the second embodiment, as described above, the first electrode 27 and the second electrode 28 are formed on the ferroelectric layer 22 side of the proof mass 24, whereby the comb tooth portion 27a and the second electrode of the first electrode 27 are formed. The fringe electric field 10 can be generated between the 28 comb teeth portions 28a. Further, by forming the metal layer 40 with a predetermined pattern in a predetermined region on the upper surface side of the ferroelectric layer 22, the proof mass 24 is moved in the arrow X direction parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1. Even in this case, the appearance of the electric lines of force in the fringe electric field 10 can be changed. That is, in the fringe electric field 10 generated between the comb teeth 27a of the first electrode 27 and the comb teeth 28a of the second electrode 28, the electric lines of force can penetrate the ferroelectric layer 22. Since the metal layer 40 cannot be penetrated, the metal layer 40 is formed in a predetermined pattern in a predetermined region on the upper surface side of the ferroelectric layer 22, so that when the proof mass 24 moves in the arrow X direction, The appearance of the electric lines of force in the fringe electric field 10 can be changed. As a result, the capacitance value of the capacitor formed between the two electrodes changes in accordance with the change in the appearance of the lines of electric force, so that a predetermined amount of charge is first generated along with the change in the capacitance value. It is introduced into the electrode 27 (counter electrode), and this is output as a current.

また、第2実施形態では、メタル層40を、強誘電体層22の上面から突出しないように形成することによって、強誘電体層22の上面側にメタル層40を形成したとしても、メタル層40が形成されていない場合と同様のプロセスで、その後の製造プロセスを行うことができるので、強誘電体層22の上面からメタル層40が突出することに起因して、その後の製造プロセスが繁雑になるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、製造効率を向上させることができる。   In the second embodiment, even if the metal layer 40 is formed on the upper surface side of the ferroelectric layer 22 by forming the metal layer 40 so as not to protrude from the upper surface of the ferroelectric layer 22, the metal layer Since the subsequent manufacturing process can be performed in the same process as when the semiconductor layer 40 is not formed, the subsequent manufacturing process is complicated due to the metal layer 40 protruding from the upper surface of the ferroelectric layer 22. The inconvenience of becoming can be suppressed. Thereby, manufacturing efficiency can be improved easily.

また、第2実施形態では、メタル層40を、強誘電体層22の上面から突出しないように形成することによって、プルーフマス24が、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向に移動する際に、メタル層40とプルーフマス24(第1電極27、第2電極28)とが係合するのを抑制することができるので、メタル層40とプルーフマス24(第1電極27、第2電極28)とが係合することに起因して、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向へのプルーフマス24の移動が妨げられるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向の振動を電流として取り出すことができる。   In the second embodiment, the proof mass 24 is formed on the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22) by forming the metal layer 40 so as not to protrude from the upper surface of the ferroelectric layer 22. ), The metal layer 40 and the proof mass 24 (first electrode 27, second electrode 28) can be prevented from engaging with each other. Proof mass in the direction of the arrow X parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22) due to the engagement of the mass 24 (first electrode 27, second electrode 28). The inconvenience that the movement of 24 is prevented can be suppressed. Thereby, the vibration in the direction of the arrow X parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22) can be easily extracted as a current.

また、第2実施形態では、強誘電体層22をBaTiO3から構成することによって、BaTiO3は比誘電率が1,000以上の金属酸化物(強誘電体物質)であるため、強誘電体層22の比誘電率を十分に大きくすることができる。これにより、容易に、静電容量値の変化を大きくすることができるので、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向の振動からより大きな電流を取り出すことができる。なお、BaTiO3は、Pb(鉛)を含有しない強誘電体物質であるため、強誘電体層22をBaTiO3から構成することによって、廃棄物による環境負荷を低減することができるとともに、人体に与える悪影響を低減することができる。 In the second embodiment, since the ferroelectric layer 22 is made of BaTiO 3 , BaTiO 3 is a metal oxide (ferroelectric material) having a relative dielectric constant of 1,000 or more. The relative dielectric constant of the layer 22 can be sufficiently increased. As a result, the change in the capacitance value can be easily increased, so that a larger current is extracted from the vibration in the arrow X direction parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22). be able to. Since BaTiO 3 is a ferroelectric material that does not contain Pb (lead), the environmental load caused by waste can be reduced by constituting the ferroelectric layer 22 from BaTiO 3, and it can be applied to the human body. The adverse effect given can be reduced.

また、第2実施形態では、プルーフマス24を支持する梁部29を、その厚み方向の長さが、幅方向の長さよりも大きくなるように構成することにより、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)に対して垂直方向(矢印Z方向)にプルーフマス24が移動するのを抑制することができるので、振動エネルギーが垂直方向に分散してしまうのを抑制することができる。これにより、容易に、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向の振動からより効率的に発電することができる。   In the second embodiment, the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer) is formed by configuring the beam portion 29 supporting the proof mass 24 so that the length in the thickness direction is larger than the length in the width direction. 22) Since the movement of the proof mass 24 in the vertical direction (arrow Z direction) can be suppressed with respect to the upper surface (main surface) of 22), it is possible to suppress the vibration energy from being dispersed in the vertical direction. it can. Thereby, it is possible to easily generate power more efficiently from the vibration in the arrow X direction parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22).

また、第2実施形態では、上記第1実施形態と同様、強誘電体層22の厚みt11を5μm以上に構成することによって、99%以上のカバー率を得ることができるので、静電容量値の変化を大きくすることができる。これにより、セラミック基板1(強誘電体層22)の上面(主面)と平行な矢印X方向の振動からより効率的に発電することができる。   Further, in the second embodiment, similarly to the first embodiment, by setting the thickness t11 of the ferroelectric layer 22 to 5 μm or more, a coverage ratio of 99% or more can be obtained, so that the capacitance value The change of can be enlarged. Thereby, it is possible to generate power more efficiently from vibration in the direction of arrow X parallel to the upper surface (main surface) of the ceramic substrate 1 (ferroelectric layer 22).

さらに、第2実施形態では、セラミック基板1と強誘電体層22との間に、グレーズ層5を形成することによって、強誘電体層22の上面の平滑度を向上させることができるので、BaTiO3の粒径を制御することによって、強誘電体層22の上面に、0.1μm〜0.2μm程度の凹凸を設けることができる。 Furthermore, in the second embodiment, the smoothness of the upper surface of the ferroelectric layer 22 can be improved by forming the glaze layer 5 between the ceramic substrate 1 and the ferroelectric layer 22, so that BaTiO3 can be improved. By controlling the particle size of 3 , irregularities of about 0.1 μm to 0.2 μm can be provided on the upper surface of the ferroelectric layer 22.

なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。   The remaining effects of the second embodiment are similar to those of the aforementioned first embodiment.

図38〜図48は、本発明の第2実施形態による発電装置の製造方法を説明するための図である。続いて、図29、図33〜図35および図38〜図48を参照して、本発明の第2実施形態による発電装置60の製造方法について説明する。なお、第2実施形態による発電装置60は、主として、表面マイクロマシニング技術を用いて製造する。   38 to 48 are views for explaining a method of manufacturing the power generation device according to the second embodiment of the present invention. Subsequently, a method for manufacturing the power generation device 60 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 29, 33 to 35 and 38 to 48. In addition, the electric power generating apparatus 60 by 2nd Embodiment is manufactured mainly using a surface micromachining technique.

まず、図38に示すように、約1mmの厚みを有するとともにAl23からなるセラミック基板1の上面上に、グレーズ層5を形成する。このグレーズ層5は、たとえば、ガラス成分を含んだ液体をセラミック基板1上に印刷した後、所定温度で焼成することによって形成する。 First, as shown in FIG. 38, the glaze layer 5 is formed on the upper surface of the ceramic substrate 1 having a thickness of about 1 mm and made of Al 2 O 3 . The glaze layer 5 is formed, for example, by printing a liquid containing a glass component on the ceramic substrate 1 and then baking it at a predetermined temperature.

次に、スクリーン印刷法を用いて、グレーズ層5上に、図29に示した配線層6を形成する。なお、配線層6をスクリーン印刷法で形成することにより、容易に、配線層6を形成することが可能となるので、これによっても製造効率を向上させることが可能となる。   Next, the wiring layer 6 shown in FIG. 29 is formed on the glaze layer 5 using a screen printing method. In addition, since the wiring layer 6 can be easily formed by forming the wiring layer 6 by the screen printing method, it is also possible to improve the manufacturing efficiency.

その後、図38に示すように、セラミック基板1(グレーズ層5)上の所定領域にスクリーン印刷法を用いて強誘電体層22を形成する。具体的には、グレーズ層5上の所定領域に、BaTiO3を含むペーストを印刷した後、800℃〜1200℃程度の焼成温度で焼成することにより、BaTiO3からなる強誘電体層22を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 38, a ferroelectric layer 22 is formed in a predetermined region on the ceramic substrate 1 (glaze layer 5) by using a screen printing method. Specifically, a ferroelectric layer 22 made of BaTiO 3 is formed by printing a paste containing BaTiO 3 in a predetermined region on the glaze layer 5 and then firing at a firing temperature of about 800 ° C. to 1200 ° C. To do.

また、強誘電体層22は、その厚みt11(図35参照)が5μm〜20μmとなるように形成するとともに、BaTiO3の粒径を制御することによって、強誘電体層22の上面に0.1μm〜0.2μm程度の凹凸(図示せず)が生じるように形成する。 In addition, the ferroelectric layer 22 is formed so that its thickness t11 (see FIG. 35) is 5 μm to 20 μm, and the grain size of the BaTiO 3 is controlled, so that the upper surface of the ferroelectric layer 22 has a thickness of 0. It is formed so that unevenness (not shown) of about 1 μm to 0.2 μm is generated.

続いて、図39に示すように、強誘電体層22をエッチングにより凹加工した後、スパッタ法や蒸着法でメタル層40(アルミニウム)を成膜する。さらに、表面を研削して、図40に示すように、規定の強誘電体とメタルのストライプ面を形成する。これにより、メタル層40が強誘電体層22の上面から突出しないように構成される。   Subsequently, as shown in FIG. 39, the ferroelectric layer 22 is recessed by etching, and then a metal layer 40 (aluminum) is formed by sputtering or vapor deposition. Further, the surface is ground to form a prescribed ferroelectric and metal stripe surface as shown in FIG. Thereby, the metal layer 40 is configured not to protrude from the upper surface of the ferroelectric layer 22.

その後、図41に示すように、プラズマCVD法を用いて、グレーズ層5上に、アモルファスシリコンからなる犠牲層31を、強誘電体層22を覆うように形成する。ここで、犠牲層31とは、後工程で除去することを前提に形成する層のことである。   Thereafter, as shown in FIG. 41, a sacrificial layer 31 made of amorphous silicon is formed on the glaze layer 5 so as to cover the ferroelectric layer 22 by plasma CVD. Here, the sacrificial layer 31 is a layer formed on the assumption that it will be removed in a later step.

次に、図42に示すように、フォトリソグラフィ技術とSF6プラズマガスを用いたドライエッチングとにより、犠牲層31に細長状の溝部(スロット)31aを形成する。そして、図43に示すように、犠牲層31の上面上に、第1のパリレン層32を蒸着する。この際、溝部31a内に蒸着された第1のパリレン層32は、プルーフマス24を保持するためのアンカー部となる。 Next, as shown in FIG. 42, elongated grooves (slots) 31a are formed in the sacrificial layer 31 by photolithography and dry etching using SF 6 plasma gas. Then, as shown in FIG. 43, a first parylene layer 32 is deposited on the upper surface of the sacrificial layer 31. At this time, the first parylene layer 32 deposited in the groove portion 31 a becomes an anchor portion for holding the proof mass 24.

次に、図44に示すように、フォトリソグラフィ技術とO2プラズマガスを用いたエッチングとにより、第1のパリレン層32の所定領域を除去する。 Next, as shown in FIG. 44, a predetermined region of the first parylene layer 32 is removed by photolithography and etching using O 2 plasma gas.

その後、犠牲層31上および第1のパリレン層32上に、スパッタリングまたは蒸着法により、アルミニウム層を堆積するとともに、図45に示すように、堆積したアルミニウム層を、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチングとを用いてパターニングする。これにより、図33に示したような櫛歯状の第1電極27が形成されるとともに、第1電極27に電気的に接続されるパッド電極27cが形成される。なお、第1電極27とパッド電極27cとを接続する接続部27b(図33参照)も、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。   Thereafter, an aluminum layer is deposited on the sacrificial layer 31 and the first parylene layer 32 by sputtering or vapor deposition, and the deposited aluminum layer is subjected to photolithography and wet etching as shown in FIG. Pattern. Thus, the comb-shaped first electrode 27 as shown in FIG. 33 is formed, and the pad electrode 27c electrically connected to the first electrode 27 is formed. Note that the connecting portion 27b (see FIG. 33) that connects the first electrode 27 and the pad electrode 27c is also formed simultaneously by the patterning of the aluminum layer described above.

また、犠牲層31上には、スピンコーティングによってCYTOPフィルムが形成された後、これがO2プラズマでエッチングされる。このような工程により、第2電極28のエレクトレット部分が櫛歯状に形成される。 In addition, a CYTOP film is formed on the sacrificial layer 31 by spin coating, and is then etched with O 2 plasma. Through such a process, the electret portion of the second electrode 28 is formed in a comb shape.

その後、第1電極27、第2電極28のエレクトレット部分、パッド電極27c、接続部27b(図33参照)を覆うように、犠牲層31上および第1のパリレン層32上に、放電防止用のパリレン(図45及び図46では図示が省略されているが、その詳細については、図8Eの符号E11を参照)が堆積され、その上に、第2電極28のベース電極部分、及び、これに接続されるパッド電極28cとしてのアルミニウムがスパッタリングされる。なお、第2電極28のベース電極部分とパッド電極28cとを接続する接続部28b(図33参照)についても、上記したアルミニウム層のパターニングにより、同時に形成される。   After that, on the sacrificial layer 31 and the first parylene layer 32 so as to cover the electret portions of the first electrode 27 and the second electrode 28, the pad electrode 27c, and the connecting portion 27b (see FIG. 33) Parylene (not shown in FIG. 45 and FIG. 46, but for details, see E11 in FIG. 8E) is deposited, and on top of this, the base electrode portion of the second electrode 28, and Aluminum as the pad electrode 28c to be connected is sputtered. Note that the connection portion 28b (see FIG. 33) that connects the base electrode portion of the second electrode 28 and the pad electrode 28c is also formed simultaneously by the above-described patterning of the aluminum layer.

次に、図46に示す通り、第2電極28のベース電極部分、パッド電極28c(図33参照)、接続部28b(図33参照)を覆うように、第2のパリレン層33を蒸着する。そして、第2のパリレン層33を図47に示した形状にパターニングする。この際、図34に示したように、4つの梁部29は、それぞれ、厚み方向の長さを、幅方向の長さよりも大きくなるように形成する。これにより、パリレンからなるプルーフマス24(図29参照)、梁部29(図29参照)、及び、枠体部23(図29参照)が形成される。この際、枠体部23の所定領域に、パッド電極27cおよび28cの表面を露出させるための開口部23aを形成する。なお、第1のパリレン層32および第2のパリレン層33は、室温で形成(蒸着)可能である。   Next, as shown in FIG. 46, the second parylene layer 33 is deposited so as to cover the base electrode portion of the second electrode 28, the pad electrode 28c (see FIG. 33), and the connection portion 28b (see FIG. 33). Then, the second parylene layer 33 is patterned into the shape shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 34, each of the four beam portions 29 is formed so that the length in the thickness direction is larger than the length in the width direction. Thereby, the proof mass 24 (refer FIG. 29) which consists of parylene, the beam part 29 (refer FIG. 29), and the frame part 23 (refer FIG. 29) are formed. At this time, an opening 23 a for exposing the surfaces of the pad electrodes 27 c and 28 c is formed in a predetermined region of the frame body portion 23. Note that the first parylene layer 32 and the second parylene layer 33 can be formed (evaporated) at room temperature.

最後に、図48に示した状態から、XeF2ガスを用いたドライエッチングにより、犠牲層31の所定領域を除去することによって、プルーフマス24と強誘電体層22とを離間させる。このようにして、図29に示した本発明の第2実施形態による発電装置60が形成される。 Finally, the proof mass 24 and the ferroelectric layer 22 are separated from each other by removing a predetermined region of the sacrificial layer 31 from the state shown in FIG. 48 by dry etching using XeF 2 gas. In this way, the power generation device 60 according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 29 is formed.

第2実施形態では、上記のように、セラミック基板1上の所定領域に、スクリーン印刷法を用いて強誘電体層22を形成することによって、セラミック基板1上の所定領域に強誘電体層22を容易に形成することができるので、板状の強誘電体層22をセラミック基板1上の所定領域に貼り付ける場合などと比べて、製造効率を向上させることができる。なお、第2実施形態による発電装置60では、DRIEプロセスを用いることなく製造することができる。   In the second embodiment, as described above, the ferroelectric layer 22 is formed in the predetermined region on the ceramic substrate 1 by forming the ferroelectric layer 22 in the predetermined region on the ceramic substrate 1 using the screen printing method. Therefore, the manufacturing efficiency can be improved as compared with the case where the plate-like ferroelectric layer 22 is attached to a predetermined region on the ceramic substrate 1. In addition, in the electric power generating apparatus 60 by 2nd Embodiment, it can manufacture without using a DRIE process.

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

例えば、上記第1及び第2実施形態では、強誘電体層をBaTiO3から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、比誘電率が1,000以上であって、スクリーン印刷法が適用可能な金属酸化物であれば、BaTiO3以外の金属酸化物から強誘電体層を構成してもよい。この際、Pb(鉛)を含有しない金属酸化物を用いるのが好ましい。 For example, in the first and second embodiments, the ferroelectric layer is made of BaTiO 3. However, the present invention is not limited to this, and the relative permittivity is 1,000 or more, and screen printing is performed. As long as the method is applicable to the metal oxide, the ferroelectric layer may be made of a metal oxide other than BaTiO 3 . At this time, it is preferable to use a metal oxide not containing Pb (lead).

また、上記第1および第2実施形態では、強誘電体層を5μm〜20μmの厚みに構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、強誘電体層を20μm以上の厚みに構成してもよい。なお、強誘電体層の形成は、上述したように、スクリーン印刷法によって行われるので、20μm以上の厚みを有する強誘電体層でも、容易に形成することが可能である。   In the first and second embodiments, the ferroelectric layer is configured to have a thickness of 5 μm to 20 μm. However, the present invention is not limited to this, and the ferroelectric layer is configured to have a thickness of 20 μm or more. May be. Since the ferroelectric layer is formed by the screen printing method as described above, a ferroelectric layer having a thickness of 20 μm or more can be easily formed.

また、上記第1及び第2実施形態では、グレーズ層が形成されたセラミック基板上に、スクリーン印刷法を用いて、強誘電体層を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、グレーズ層が形成されていないセラミック基板上に、スクリーン印刷法を用いて強誘電体層を形成してもよい。   In the first and second embodiments, the example in which the ferroelectric layer is formed on the ceramic substrate on which the glaze layer is formed using the screen printing method has been described. However, the present invention is not limited to this. The ferroelectric layer may be formed on the ceramic substrate on which the glaze layer is not formed by using a screen printing method.

また、上記第1および第2実施形態では、800℃〜1200℃程度の焼成温度で焼成することにより、強誘電体層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記した焼成温度以外の焼成温度で焼成することにより、強誘電体層を形成してもよい。例えば、1200℃〜1500℃程度の比較的高い焼成温度で焼成してもよいし、700℃以下の比較的低い焼成温度で焼成してもよい。なお、1200℃〜1500℃程度の焼成温度で焼成する場合には、グレーズ層が形成されていないセラミック基板上に、強誘電体層を形成するとともに、強誘電体層の形成後に配線層を形成すれば、上記実施形態に示した発電装置の製造が可能である。また、700℃以下の焼成温度で焼成する場合には、強誘電体層の比誘電率が1,000以下にならないように構成するのが好ましい。   Further, in the first and second embodiments, the example in which the ferroelectric layer is formed by firing at a firing temperature of about 800 ° C. to 1200 ° C. is shown, but the present invention is not limited to this and is described above. The ferroelectric layer may be formed by firing at a firing temperature other than the firing temperature. For example, it may be fired at a relatively high firing temperature of about 1200 ° C. to 1500 ° C., or may be fired at a relatively low firing temperature of 700 ° C. or less. When firing at a firing temperature of about 1200 ° C. to 1500 ° C., a ferroelectric layer is formed on a ceramic substrate on which no glaze layer is formed, and a wiring layer is formed after the ferroelectric layer is formed. Then, the power generation device shown in the above embodiment can be manufactured. Further, when firing at a firing temperature of 700 ° C. or lower, it is preferable that the relative dielectric constant of the ferroelectric layer is not 1,000 or lower.

また、上記第1および第2実施形態では、Al23からなるセラミック基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、Al23以外のセラミック材料からなるセラミック基板を用いるほか、強誘電体材を基板として用いて発電装置を製造してもよい。 In the first and second embodiments, the example using the ceramic substrate made of Al 2 O 3 has been shown. However, the present invention is not limited to this, and the ceramic substrate made of a ceramic material other than Al 2 O 3 is used. In addition to the use, a power generation device may be manufactured using a ferroelectric material as a substrate.

また、上記第1および第2実施形態では、枠体部によってプルーフマスを保持するように構成したが、本発明はこれに限らず、枠体部以外の部材によってプルーフマスを保持するように構成してもよい。   In the first and second embodiments, the proof mass is held by the frame body portion. However, the present invention is not limited to this, and the proof mass is held by a member other than the frame body portion. May be.

なお、上記第1および第2実施形態において、プルーフマスに、上面から下面に貫通する複数の貫通孔を設けてもよい。このように構成した場合には、犠牲層の除去が容易になるとともに、空気抵抗を低減することが可能となる。   In the first and second embodiments, the proof mass may be provided with a plurality of through holes penetrating from the upper surface to the lower surface. When configured in this manner, the sacrificial layer can be easily removed and the air resistance can be reduced.

また、上記第2実施形態では、メタル層を、強誘電体層の上面から突出しないように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、メタル層を、強誘電体層の上面から突出するように形成してもよい。   In the second embodiment, the example in which the metal layer is formed so as not to protrude from the upper surface of the ferroelectric layer has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the metal layer is formed on the upper surface of the ferroelectric layer. You may form so that it may protrude from.

また、上記第2実施形態では、メタル層をアルミニウムから構成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、アルミニウム以外の金属からメタル層を構成してもよい。   Moreover, although the said 2nd Embodiment demonstrated the example which comprised the metal layer from aluminum, this invention is not restricted to this, You may comprise a metal layer from metals other than aluminum.

(第1変形例)
また、上記第2実施形態では、4つの梁部によってプルーフマスを支持する構成について示したが、本発明はこれに限らず、セラミック基板の上面に対して平行な所定方向に、プルーフマスを移動させることが可能であれば、プルーフマスを支持する梁部の構成は、上記実施形態による構成以外の構成であってもよい。たとえば、図49に示すように、プルーフマス34を支持する梁部39を、矢印X方向に撓むように構成してもよい。
(First modification)
In the second embodiment, the proof mass is supported by the four beam portions. However, the present invention is not limited to this, and the proof mass is moved in a predetermined direction parallel to the upper surface of the ceramic substrate. If possible, the configuration of the beam portion supporting the proof mass may be a configuration other than the configuration according to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 49, the beam portion 39 that supports the proof mass 34 may be configured to bend in the arrow X direction.

(第2変形例)
また、上記第2実施形態では、発電装置を、セラミック基板の上面に対して平行な矢印X方向の振動から発電可能に構成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、1つのセラミック基板上に複数の発電装置を形成することによって、複数方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。たとえば、図50に示すように、少なくとも、セラミック基板1の上面に対して平行な矢印X方向および矢印Y方向の振動からそれぞれ発電する2つの発電装置60と、セラミック基板1の上面に対して垂直方向の振動から発電する発電装置50とを、1つのセラミック基板1上に形成することによって、3軸方向の振動から同時に発電可能に構成してもよい。
(Second modification)
Further, in the second embodiment, the example in which the power generation device is configured to be able to generate power from the vibration in the arrow X direction parallel to the upper surface of the ceramic substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and one ceramic is provided. A plurality of power generation devices may be formed on the substrate so that power can be generated simultaneously from vibrations in a plurality of directions. For example, as shown in FIG. 50, at least two power generation devices 60 that generate power from vibrations in the directions of arrows X and Y parallel to the upper surface of the ceramic substrate 1 and perpendicular to the upper surface of the ceramic substrate 1. The power generation device 50 that generates power from vibrations in the direction may be formed on one ceramic substrate 1 so that power can be generated simultaneously from vibrations in the three axial directions.

(第3変形例)
次に、上記で説明した発電装置(特に水平振動から発電する第2実施形態の発電装置)の第3変形例について、詳細に説明する。図51A及び図51Bは、いずれも、本発明の第3変形例による発電装置の構造を示す断面図である。なお、図51Aの発電装置では、図3A〜図3Cと同じく、メタル層(フローティング電極)G2が強誘電体基板G1の表面上に突起して形成されており、図51Bの発電装置では、図30と同じく、メタル層G2が強誘電体基板G1の表面上に埋没して形成されている。
(Third Modification)
Next, a third modification of the power generation device described above (particularly the power generation device of the second embodiment that generates power from horizontal vibration) will be described in detail. 51A and 51B are both cross-sectional views showing the structure of the power generation device according to the third modification of the present invention. 51A, the metal layer (floating electrode) G2 is formed so as to protrude on the surface of the ferroelectric substrate G1, as in FIGS. 3A to 3C. In the power generator of FIG. Similar to 30, a metal layer G2 is formed to be buried on the surface of the ferroelectric substrate G1.

ここで、第3変形例の発電装置は、強誘電体基板G1とメタル層G2とを被覆し、可動体G4に対して水平な表面を持つ保護層G3を有して成る。なお、保護層G3の素材としては、摩擦係数が小さく、かつ、絶縁性にも優れたフッ素樹脂やポリイミド樹脂など(例えば、静摩擦係数が0.5以下、比誘電率が4.0以下)が好適である。なお、半導体装置の分野で一般的に使用されている層間絶縁膜の比誘電率は4.0以下であり、例えばSiO2の比誘電率は4.0である。保護層G3の素材として、比誘電率は小さければ小さいほど良いが、材料の入手性を鑑みると、半導体装置の分野で一般的に使用されている層間絶縁膜材を用いてもよい。 Here, the power generation device of the third modified example includes a protective layer G3 that covers the ferroelectric substrate G1 and the metal layer G2 and has a surface horizontal to the movable body G4. The material of the protective layer G3 is a fluororesin or polyimide resin having a small friction coefficient and excellent insulation (for example, a static friction coefficient of 0.5 or less and a relative dielectric constant of 4.0 or less). Is preferred. Note that the relative dielectric constant of an interlayer insulating film generally used in the field of semiconductor devices is 4.0 or less. For example, the relative dielectric constant of SiO 2 is 4.0. As the material of the protective layer G3, the smaller the relative dielectric constant, the better. However, in view of the availability of the material, an interlayer insulating film material generally used in the field of semiconductor devices may be used.

例えば、摩擦係数が小さい保護層G3を有する構成であれば、強誘電体基板G1と可動体G4とが万一接触した場合であっても、可動体G4が保護層G3の表面上を滑らかに摺動するので、発電装置の機械的な破壊を回避することが可能となる。また、絶縁性に優れた保護層G3を有する構成であれば、メタル層(フローティング電極)G2と、対向電極G5やエレクトレット電極G6との間で、不要な放電が生じにくくなる。   For example, in the configuration having the protective layer G3 having a small friction coefficient, even when the ferroelectric substrate G1 and the movable body G4 are in contact with each other, the movable body G4 smoothly moves on the surface of the protective layer G3. Since it slides, it becomes possible to avoid mechanical destruction of the power generator. Moreover, if it is the structure which has the protective layer G3 excellent in insulation, it will become difficult to produce unnecessary discharge between the metal layer (floating electrode) G2, and the counter electrode G5 and the electret electrode G6.

特に、強誘電体基板G1と可動体G4とのギャップ間距離が短い発電装置では、上記の接触や放電の問題が生じやすいため、上記第3変形例の構成を採用することが望ましい。   In particular, in the power generation device in which the distance between the gaps between the ferroelectric substrate G1 and the movable body G4 is short, the above contact and discharge problems are likely to occur. Therefore, it is desirable to employ the configuration of the third modification.

なお、図51Bのメタル層G2は、その上面が強誘電体基板G1の上面と実質的に同一面となるように形成されている。   Note that the metal layer G2 in FIG. 51B is formed so that its upper surface is substantially flush with the upper surface of the ferroelectric substrate G1.

その形成方法としては、後述する第4変形例のように、強誘電体基板G1の表面上に溝部(トレンチ部)を形成した後、その内部にメタル層G2を積層すればよい。このとき、上記溝部の深さについては、メタル層G2がフリンジ電界を遮るために必要十分な厚さを持つように適宜設計すればよい。なお、フリンジ電界を適切に遮ることができるのであれば、メタル層G2に代えて、半導体層(純シリコン層など)を上記溝部に積層しても構わない。   As a formation method thereof, a groove (trench) is formed on the surface of the ferroelectric substrate G1, and then a metal layer G2 is stacked therein, as in a fourth modification described later. At this time, the depth of the groove may be appropriately designed so that the metal layer G2 has a necessary and sufficient thickness to block the fringe electric field. Note that a semiconductor layer (such as a pure silicon layer) may be stacked in the groove instead of the metal layer G2 as long as the fringe electric field can be appropriately blocked.

図51Bの構成(すなわち、メタル層G2を強誘電体基板G1の表面上に埋没させた構成)であれば、図51Aの構成(すなわち、メタル層G2を強誘電体基板G1の表面上に突起させた構成)と比べて、メタル層G2の厚み分だけ、強誘電体基板G1と可動体G4とのギャップ間距離を短縮することができるので、発電装置の小型化や発電効率の向上に寄与することが可能となる。   51B (that is, a configuration in which the metal layer G2 is buried on the surface of the ferroelectric substrate G1), the configuration of FIG. 51A (that is, the metal layer G2 is projected on the surface of the ferroelectric substrate G1). The distance between the gaps of the ferroelectric substrate G1 and the movable body G4 can be shortened by the thickness of the metal layer G2, compared with the configuration), which contributes to reducing the size of the power generation device and improving the power generation efficiency. It becomes possible to do.

(第4変形例)
次に、上記で説明した発電装置(特に水平振動から発電する第2実施形態の発電装置)の第4変形例について詳細に説明する。図52A及び図52Bは、それぞれ、本発明の第4変形例による発電装置の発電原理を説明するための模式図である。なお、図52Aは、可動体H1が初期位置に存在する様子を示しており、図52Bは、可動体H1が水平移動された後の様子を示している。また、図52A及び図52Bの左側には、それぞれ、発電装置の概念及び動作原理を模式的に示した等価回路が描写されている。
(Fourth modification)
Next, a fourth modification of the power generation apparatus described above (particularly the power generation apparatus of the second embodiment that generates power from horizontal vibration) will be described in detail. 52A and 52B are schematic diagrams for explaining the power generation principle of the power generation device according to the fourth modification of the present invention. 52A shows a state where the movable body H1 exists at the initial position, and FIG. 52B shows a state after the movable body H1 is horizontally moved. Further, on the left side of FIGS. 52A and 52B, equivalent circuits schematically showing the concept and operating principle of the power generation device are depicted, respectively.

第4変形例の発電装置において、強誘電体基板H5の表面上には、メタル層に代えて、溝部(トレンチ部)H6が形成されている。溝部(トレンチ部)H6は、ウェットエッチング、ICP装置等を用いたドライエッチング、機械加工(ダイシング)、エキシマレーザ等を用いたレーザビーム加工によって形成すればよい。また、溝部(トレンチ部)H6が形成された強誘電体基板H5の上部に、可動体H1などの構造物をさらに積層形成していくためには、先出の図41で示したように、強誘電体基板H5を覆うようにアモルファスシリコンから成る犠牲層を形成して新たな水平面を取得し、その上部に所望の構造物を積層形成した後、最終的に上記の犠牲層を除去すればよい。   In the power generator of the fourth modification, a groove (trench) H6 is formed on the surface of the ferroelectric substrate H5 instead of the metal layer. The groove portion (trench portion) H6 may be formed by wet etching, dry etching using an ICP apparatus, machining (dicing), laser beam processing using an excimer laser, or the like. In order to further stack a structure such as the movable body H1 on the upper portion of the ferroelectric substrate H5 in which the groove portion (trench portion) H6 is formed, as shown in FIG. A sacrificial layer made of amorphous silicon is formed so as to cover the ferroelectric substrate H5, a new horizontal plane is obtained, a desired structure is laminated on the upper part, and the sacrificial layer is finally removed. Good.

なお、溝部(トレンチ部)H6の深さは、可動体H1と強誘電体基板H5とのギャップ長(=約1μm)と同値またはそれ以上に設計すればよい。また、溝部(トレンチ部)H6の幅ないしピッチについては、エレクトレットH2や対向電極H4の幅ないしピッチとの関係を考慮して適切に設計することが望ましい。また、溝部(トレンチ部)H6のテーパ形状については、加工プロセスを考慮して適切に設計することが望ましい。   The depth of the trench (trench) H6 may be designed to be equal to or greater than the gap length (= about 1 μm) between the movable body H1 and the ferroelectric substrate H5. Further, it is desirable that the width or pitch of the groove (trench) H6 is appropriately designed in consideration of the relationship with the width or pitch of the electret H2 and the counter electrode H4. Further, it is desirable that the taper shape of the groove (trench) H6 is appropriately designed in consideration of the machining process.

上記構成から成る発電装置の動作原理について説明する。外的な振動入力によって可動体H1が水平方向に移動されたとき、図52Aと図52Bとを用いて対比的に示したように、フリンジ電界H7と溝部(トレンチ部)H6との相対的な配置関係が変化し、強誘電体基板H5を貫く電気力線の状態が変化する。例えば、可動体H1の初期位置(図52Aを参照)では、エレクトレットH2と対向電極H4との間に強誘電体基板H5の凸部があり、可動体H1と強誘電体基板H5とのギャップ長が比較的短くなった状態、すなわち、電気力線が強誘電体基板H5の内部に進入しやすい状態となっているが、可動体H1の水平移動後の位置(図52Bを参照)では、エレクトレットH2と対向電極H4との間に溝部(トレンチ部)H6が存在し、可動体H1と強誘電体基板H5とのギャップ長が比較的長くなった状態、すなわち、電気力線が強誘電体基板H5の内部に進入しにくい状態となる。この事実は、エレクトレットH2と対向電極H4との間に形成される容量Cが変化することを意味している。この容量Cの変化は、2つの電極間に存在する誘電体と空気の体積比、すなわち、等価比誘電率εrが変化することによって生じる。2電極間における上記の容量変化に伴って、所定量の電荷Qが対向電極H4に導入される。そして、この電荷Qは、先出の(2)式に基づき、電流Iとして引き出される。 The operation principle of the power generation device having the above configuration will be described. When the movable body H1 is moved in the horizontal direction by an external vibration input, the relative relationship between the fringe electric field H7 and the groove portion (trench portion) H6 is shown in comparison with FIGS. 52A and 52B. The arrangement relationship changes, and the state of the lines of electric force passing through the ferroelectric substrate H5 changes. For example, at the initial position of the movable body H1 (see FIG. 52A), there is a convex portion of the ferroelectric substrate H5 between the electret H2 and the counter electrode H4, and the gap length between the movable body H1 and the ferroelectric substrate H5. Is relatively short, that is, the electric lines of force are likely to enter the ferroelectric substrate H5, but in the position after the horizontal movement of the movable body H1 (see FIG. 52B), the electret A groove portion (trench portion) H6 exists between H2 and the counter electrode H4, and the gap length between the movable body H1 and the ferroelectric substrate H5 is relatively long, that is, the electric lines of force are the ferroelectric substrate. It becomes difficult to enter the inside of H5. This fact means that the capacitance C formed between the electret H2 and the counter electrode H4 changes. The change in the capacitance C is caused by a change in the volume ratio between the dielectric and air existing between the two electrodes, that is, the equivalent relative dielectric constant ε r . Along with the change in capacitance between the two electrodes, a predetermined amount of charge Q is introduced into the counter electrode H4. The electric charge Q is drawn out as a current I based on the above-described equation (2).

このように、上記第4の変形例における発電装置であれば、強誘電体基板H5の表面上にメタル層を設けることなく、水平振動に基づく発電を行うことができるので、実使用時における不要な放電を防止することが可能となり、延いては、強誘電体基板H5と可動体H1とのギャップ間距離を短縮して、発電装置の小型化や発電効率の向上に寄与することが可能となる。   As described above, the power generation device according to the fourth modification can generate power based on horizontal vibration without providing a metal layer on the surface of the ferroelectric substrate H5. It is possible to prevent electrical discharge, and consequently, it is possible to reduce the distance between the gaps between the ferroelectric substrate H5 and the movable body H1, thereby contributing to downsizing of the power generation device and improvement of power generation efficiency. Become.

図53A〜図53Cは、それぞれ、本発明の第4変形例による発電装置の第1〜第3構造例を示した断面図である。なお、図53Aは、第1構造例(トレンチ形成型)を示しており、図53Bは、第2構造例(シリカ積層型)を示しており、図53Cは、第3構造例(保護層形成型)を示している。   53A to 53C are cross-sectional views showing first to third structural examples of the power generating device according to the fourth modified example of the present invention, respectively. FIG. 53A shows a first structure example (trench formation type), FIG. 53B shows a second structure example (silica laminated type), and FIG. 53C shows a third structure example (protection layer formation). Type).

図53Aの第1構造例(トレンチ形成型)は、図52A及び図52Bで既に示した構造であり、強誘電体基板I2の表面上には、ウェットエッチング、ICP装置等を用いたドライエッチング、機械加工(ダイシング)、エキシマレーザ等を用いたレーザビーム加工によって溝部(トレンチ部)I3が形成されており、その内部は、可動体I1と強誘電体基板I2とのギャップ領域と同様、低真空状態(高真空や超高真空ではない状態)とされているか、若しくは、空気、不活性ガス(N2など)、或いは、放電防止効果のあるガス(例えば主成分としてSF6を含むガス)などが充填されている。このような構成とすることにより、ギャップ領域とトレンチ内部の状態(誘電率)を一致させることができる。なお、ギャップ領域及びトレンチ内部を高真空や超高真空にしない理由は、放電を回避するためである。なお、本明細書中において、「低真空状態」とは大気圧〜10-1Paの状態を指し、「高真空状態」とは10-1〜10-5Paの状態を指し、「超高真空状態」とは10-5以下の状態を指すものとする。 The first structure example (trench formation type) in FIG. 53A is the structure already shown in FIGS. 52A and 52B. On the surface of the ferroelectric substrate I2, wet etching, dry etching using an ICP apparatus, etc. A groove portion (trench portion) I3 is formed by machining (dicing), laser beam processing using an excimer laser or the like, and the inside thereof is a low vacuum as in the gap region between the movable body I1 and the ferroelectric substrate I2. Is in a state (not a high vacuum or ultra-high vacuum), or air, an inert gas (N 2 or the like), or a gas having an anti-discharge effect (for example, a gas containing SF 6 as a main component), etc. Is filled. With such a configuration, the gap region and the state (dielectric constant) inside the trench can be matched. The reason why the gap region and the inside of the trench are not made high vacuum or ultra high vacuum is to avoid discharge. In this specification, “low vacuum state” refers to a state of atmospheric pressure to 10 −1 Pa, “high vacuum state” refers to a state of 10 −1 to 10 −5 Pa, “Vacuum state” refers to a state of 10 −5 or less.

図53Bの第2構造例(シリカ積層型)は、図53Aの第1構造例で形成した溝部(トレンチ部)I3の内部にシリカ層I3’(誘電率3程度)を積層して、強誘電体基板I2の表面を平坦化した構造である。このような構成とすることにより、可動体I1と強誘電体基板I2との接触(引っ掛かり)を低減することが可能となる。また、強誘電体基板I2の表面を平坦化することにより、その上に表面マイクロマシニングで構造体を作成することが可能となる。   The second structural example (silica laminated type) in FIG. 53B is formed by laminating a silica layer I3 ′ (dielectric constant of about 3) inside the groove (trench portion) I3 formed in the first structural example in FIG. 53A. The surface of the body substrate I2 is flattened. With such a configuration, it is possible to reduce contact (hook) between the movable body I1 and the ferroelectric substrate I2. Further, by flattening the surface of the ferroelectric substrate I2, a structure can be formed on the ferroelectric substrate I2 by surface micromachining.

図53Bの第3構造例(保護層形成型)は、図53Bの第2構造例に加えて、強誘電体基板I2とシリカ層I3’とを被覆し、可動体I1に対して水平な表面を持つ保護層I4を追加した構造である。なお、保護層I4の素材としては、摩擦係数の小さいフッ素樹脂などが好適である。このような構成とすることにより、強誘電体基板I2と可動体I1とが万一接触した場合であっても、可動体J1が保護層J4の表面上を滑らかに摺動するので、発電装置の機械的な破壊を回避することが可能となる。   The third structure example (protective layer forming type) in FIG. 53B covers the ferroelectric substrate I2 and the silica layer I3 ′ in addition to the second structure example in FIG. 53B, and is a surface horizontal to the movable body I1. This is a structure in which a protective layer I4 having the following is added. In addition, as a raw material of the protective layer I4, a fluororesin with a small friction coefficient etc. is suitable. With this configuration, even when the ferroelectric substrate I2 and the movable body I1 are in contact with each other, the movable body J1 slides smoothly on the surface of the protective layer J4. It is possible to avoid mechanical destruction.

なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。   It should be noted that the configuration of the present invention can be variously modified within the scope of the gist of the invention in addition to the above-described embodiment or modification. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.

例えば、強誘電体基板と可動体とのギャップは、低真空状態としてもよいし、或いは、空気、不活性ガス(N2など)、または、放電防止効果のあるガス(主成分としてSF6を含むガスなど)などを充填しても構わない。なお、上記ギャップを低真空状態とする場合、脱気工程を用いてもよいし、或いは、何らかの高温処理時に上記のギャップからガスが抜けて自然に低真空状態となる現象を利用してもよい。 For example, the gap between the ferroelectric substrate and the movable body may be in a low vacuum state, or air, an inert gas (such as N 2 ), or a gas having an anti-discharge effect (SF 6 as a main component). Or the like). In addition, when making the said gap into a low vacuum state, you may use a deaeration process, or you may utilize the phenomenon which gas will escape from said gap at the time of some high temperature processes, and will be in a low vacuum state naturally. .

また、可動体と対向する位置に設けられる強誘電体については、基板自体を強誘電体素材で形成してもよいし(図3A〜図3Cなどを参照)、基板上に薄膜印刷技術を用いて強誘電体層を形成してもよいし(図8A〜図8Fなどを参照)、或いは、別途の工程で形成しておいた板状の強誘電体を基板上に貼り付けてもよい(図14や図32などを参照)。   As for the ferroelectric provided at the position facing the movable body, the substrate itself may be formed of a ferroelectric material (see FIG. 3A to FIG. 3C, for example), or thin film printing technology is used on the substrate. A ferroelectric layer may be formed (see FIGS. 8A to 8F), or a plate-like ferroelectric formed in a separate process may be attached to the substrate (see FIG. 8A to FIG. 8F). (See FIGS. 14 and 32).

本発明に係る発電装置は、例えば、各種センサや無線機器用の電源として、好適に利用可能な技術である。   The power generator according to the present invention is a technology that can be suitably used as a power source for various sensors and wireless devices, for example.

A1 ベース電極
A2 エレクトレット
A3 パリレン
A4 PZT板
A5 対向電極
B1 プルーフマス(可動体)
B2 エレクトレット
B3 ベース電極
B4 対向電極
B5 強誘電体基板
B6 フローティング電極
B7 フリンジ電界
B8 空気
C1 発電装置(X方向用)
C2 発電装置(Y方向用)
C3 発電装置(Z方向用)
D1 プルーフマス(可動体)
D2 梁部
D3 エレクトレット
D4 対向電極
D5 フローティング電極
E1 シリコンウェハ
E2 接着剤(PDMS)
E3 PZT板(強誘電体基板)
E4 アルミニウム(フローティング電極)
E5 アモルファスシリコン(犠牲層)
E6 スロット(溝)
E7 ディンプル(窪み)
E8 パリレン
E9 CYTOPフィルム(エレクトレット)
E10 アルミニウム(対向電極)
E11 パリレン
E12 アルミニウム(ベース電極)
E13 パリレン
E14 SU−8層
F1 シリコンウェハ
F2 パリレン
F3 CYTOPフィルム
F4 放電シミュレータ
F5 スイッチ
G1 強誘電体基板
G2 メタル層(フローティング電極)
G3 保護層
G4 可動体
G5 対向電極
G6 エレクトレット電極
H1 可動体
H2 エレクトレット
H3 ベース電極
H4 対向電極
H5 強誘電体基板
H6 溝部(トレンチ部)
H7 フリンジ電界
I1 可動体
I2 強誘電体基板
I3 溝部(トレンチ部)
I3’ シリカ層
I4 保護層
1 セラミック基板
2、22 強誘電体層(誘電体層)
3、23 枠体部
3a、23a 開口部
4、24 プルーフマス(可動部)
5 グレーズ層
6 配線層
7、27 第1電極(対向電極)
7a、27a 櫛歯部
7b、27b 接続部
7c、27c パッド電極
8、28 第2電極(エレクトレット)
8a、28a 櫛歯部
8b、28b 接続部
8c、28c パッド電極
9、29 梁部
10 フリンジ電界
11、31 犠牲層
11a、31a 溝部(スロット)
40 メタル層(フローティング電極)
50 発電装置(Z方向用)
60 発電装置(X方向用/Y方向用)
A1 Base electrode A2 Electret A3 Parylene A4 PZT plate A5 Counter electrode B1 Proof mass (movable body)
B2 electret B3 Base electrode B4 Counter electrode B5 Ferroelectric substrate B6 Floating electrode B7 Fringe electric field B8 Air C1 Power generator (for X direction)
C2 power generator (for Y direction)
C3 power generator (for Z direction)
D1 proof mass (movable body)
D2 Beam part D3 Electret D4 Counter electrode D5 Floating electrode E1 Silicon wafer E2 Adhesive (PDMS)
E3 PZT plate (ferroelectric substrate)
E4 Aluminum (floating electrode)
E5 Amorphous silicon (sacrificial layer)
E6 slot (groove)
E7 dimple
E8 Parylene E9 CYTOP film (electret)
E10 Aluminum (counter electrode)
E11 Parylene E12 Aluminum (base electrode)
E13 Parylene E14 SU-8 layer F1 Silicon wafer F2 Parylene F3 CYTOP film F4 Discharge simulator F5 Switch G1 Ferroelectric substrate G2 Metal layer (floating electrode)
G3 Protective layer G4 Movable body G5 Counter electrode G6 Electret electrode H1 Movable body H2 Electret H3 Base electrode H4 Counter electrode H5 Ferroelectric substrate H6 Groove (trench)
H7 Fringe field I1 Movable body I2 Ferroelectric substrate I3 Groove (trench)
I3 'Silica layer I4 Protective layer 1 Ceramic substrate 2, 22 Ferroelectric layer (dielectric layer)
3, 23 Frame part 3a, 23a Opening part 4, 24 Proof mass (movable part)
5 Glaze layer 6 Wiring layer 7, 27 First electrode (counter electrode)
7a, 27a Comb teeth portion 7b, 27b Connection portion 7c, 27c Pad electrode 8, 28 Second electrode (electret)
8a, 28a Comb tooth portion 8b, 28b Connection portion 8c, 28c Pad electrode 9, 29 Beam portion 10 Fringe electric field 11, 31 Sacrificial layer 11a, 31a Groove portion (slot)
40 Metal layer (floating electrode)
50 Power generator (for Z direction)
60 Power generator (for X direction / Y direction)

Claims (15)

誘電体と;
前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;
前記可動部の前記誘電体側に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;
を有して成り、
前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
前記誘電体の可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるためのメタル層と;
前記誘電体と前記メタル層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜と;
を有して成ることを特徴とする発電装置。
With dielectrics;
A movable part facing the dielectric at a predetermined distance;
An electret and a counter electrode, each formed on the dielectric side of the movable part, for generating a fringe electric field so as to penetrate the dielectric between the two electrodes;
Comprising
When the volume occupancy ratio of the dielectric occupying between the electret and the counter electrode changes in accordance with the horizontal displacement of the movable body, the charge introduced into the counter electrode is output to the outside of the device as a current. A power generator that
A metal layer formed on the movable part side surface of the dielectric material for preventing the fringe electric field from entering the dielectric material;
A low-dielectric insulating film that is formed so as to cover the dielectric and the metal layer, and that has a surface parallel to the movable body, such as a fluororesin or a polyimide resin;
A power generator characterized by comprising.
前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に突起して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。   The power generation apparatus according to claim 1, wherein the metal layer is formed so as to protrude on the movable portion side surface of the dielectric. 前記メタル層は、前記誘電体の可動部側表面上に埋没して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。   The power generation apparatus according to claim 1, wherein the metal layer is formed so as to be buried on a movable part side surface of the dielectric. 誘電体と;
前記誘電体から所定の距離を隔てて対向する可動部と;
前記可動部の誘電体側表面に各々形成され、2電極間で前記誘電体を貫くようにフリンジ電界を発生させるエレクトレット及び対向電極と;
を有して成り、
前記エレクトレットと前記対向電極との間に占める前記誘電体の体積占有率が前記可動体の水平方向の変位に応じて変化したときに、前記対向電極に導入される電荷を電流として装置外部に出力する発電装置であって、
前記誘電体は、その可動部側表面に形成され、前記フリンジ電界が前記誘電体内に進入することを妨げるための溝部を有して成ることを特徴とする発電装置。
With dielectrics;
A movable part facing the dielectric at a predetermined distance;
An electret and a counter electrode, each formed on the dielectric side surface of the movable part, for generating a fringe electric field so as to penetrate the dielectric between the two electrodes;
Comprising
When the volume occupancy ratio of the dielectric occupying between the electret and the counter electrode changes in accordance with the horizontal displacement of the movable body, the charge introduced into the counter electrode is output to the outside of the device as a current. A power generator that
The power generator according to claim 1, wherein the dielectric is formed on a surface of the movable part and has a groove for preventing the fringe electric field from entering the dielectric.
前記溝部の内部に積層され、前記誘電体の可動部側表面を平坦化するシリカ等の低誘電率層を有して成ることを特徴とする請求項4に記載の発電装置。   5. The power generator according to claim 4, further comprising a low dielectric constant layer made of silica or the like, which is laminated inside the groove and flattenes the movable part side surface of the dielectric. 前記誘電体と前記シリカ等の低誘電率層を被覆するように形成され、前記可動体に対して水平な表面を持つフッ素樹脂やポリイミド樹脂等の摺動性の良い低誘電絶縁膜を有して成ることを特徴とする請求項5に記載の発電装置。   A low dielectric insulating film having good slidability, such as fluorine resin or polyimide resin, which is formed so as to cover the dielectric and a low dielectric constant layer such as silica and has a surface parallel to the movable body. The power generator according to claim 5, wherein 前記可動部の支持部材として、厚み方向の長さが幅方向の長さよりも大きい梁部を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the support member of the movable portion includes a beam portion having a length in the thickness direction larger than a length in the width direction. 前記エレクトレットと前記対向電極は、複数の櫛歯部を有する櫛歯状にそれぞれ形成されており、平面的に見て、互いの櫛歯部が所定の間隔を隔てて交互に配列されていることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の発電装置。   The electret and the counter electrode are each formed in a comb-teeth shape having a plurality of comb-teeth parts, and the comb-teeth parts are alternately arranged with a predetermined interval in a plan view. The power generation device according to any one of claims 1 to 7, wherein: 前記エレクトレットに対して所定量の電荷を接触式放電によって注入するためのエレクトレット端子を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 8, further comprising an electret terminal for injecting a predetermined amount of electric charge to the electret by contact discharge. 前記誘電体は、1,000以上の比誘電率を有することを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 9, wherein the dielectric has a relative dielectric constant of 1,000 or more. 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域は、低真空状態とされていることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の発電装置。   The power generation device according to any one of claims 1 to 10, wherein a gap region between the dielectric and the movable body is in a low vacuum state. 前記誘電体と前記可動体とのギャップ領域には、所定の気体が充填されていることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1, wherein a gap region between the dielectric and the movable body is filled with a predetermined gas. 前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスのいずれ一であることを特徴とする請求項12に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 12, wherein the predetermined gas is any one of air, an inert gas, and a gas having a discharge preventing effect. 前記放電防止効果を有するガスの主成分はSF6であることを特徴とする請求項13に記載の発電装置。 Generator according to claim 13, wherein the main component of the gas with the discharge preventing effect is SF 6. 表面マイクロマシニング技術を用いて製造されることを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかに記載の発電装置。   The power generation device according to any one of claims 1 to 14, wherein the power generation device is manufactured using a surface micromachining technique.
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